预加载对AFRP加固钢筋混凝土梁抗弯性能的影响

2011-04-19黄晓兰

四川建筑 2011年2期

黄晓兰

(四川职业技术学院，四川遂宁 629000)

目前，大多数混凝土结构加固研究都是在零预加载情况下进行的，而实际工程中，混凝土构件都是承受了一定的荷载，故试验和实际存在一定的差异。为了更好的接近实际，本文考虑二次受力即预加载的影响，利用ANSYS10.0有限元分析软件，以文献［1］试验为基础建立有限元仿真模型，研究AFRP加固梁的抗弯性能。

1 基本假定及本构关系

1.1 基本假定

(1)加固梁必须符合平截面假定。

(2)混凝土各向同性，开裂后不考虑受拉区混凝土的作用。

(3)混凝土和钢筋，混凝土和AFRP粘结牢固，不发生相对滑移，变形协调一致。重合界面采用耦合约束或共用结点进行传力。

(4)忽略粘结层的影响，不考虑结构的剥离破坏。

1.2 本构关系

1.2.1 混凝土

混凝土本文考虑美国Hognestand建议的应力－应变关系式［2］:

图1 混凝土应力－应变曲线

应力－应变试验曲线如图1所示。

1.2.2 钢筋和刚性垫块

本文采用图2作为钢筋和刚性垫块的应力－应变关系曲线图［2］。

图2 钢筋应力－应变曲线

1.2.3 FRP复合材料、纤维及树脂

FRP复合材料是一种各向异性材料，对于它们的本构关系很复杂，目前尚无比较成熟的研究，在本文中，假定它们为各向同性的线性材料，其应力－应变关系［3］见图3所示。

图3 FRP应力－应变曲线

2 有限元模型

2.1 模型参数及对比方案

有限元模型梁承受对称集中荷载，两端简支;梁长1400 mm，截面尺寸120 mm×200 mm，垫块尺寸40 mm×33 mm×20 mm，纵筋采用螺纹钢筋，箍筋采用光圆钢筋，保护层厚度30 mm，混凝土强度 C30，FRP长1200 mm，厚0.182 mm，粘贴在梁底进行加固。具体如图4所示:

图4 简支梁模型

有限元模型中各单元材料参数如表1所示:

本文建立了5根有限元模型梁，对其中3根梁施加了不同程度的预加载，分别为未加固梁极限荷载的40%、60%、80%。如表2所示。

2.2 单元选取及划分

混凝土选用SOLID65单元，采用六面体八结点进行映射网格划分;钢筋选用LINK8单元，由于钢筋截面面积远远小于混凝土面积，故单元划分时采用线单元;垫块选取SOLID45单元，AFRP选取SHELL41单元，两者都采用六面体八结点单元进行划分。

2.3 生死单元

本文对预加载的模拟采用生死单元法则，在ANSYS中，单元的生死功能是通过修改单元刚度的方式实现的。为了达到让单元死掉的效果，ANSYS程序并不是真正去掉“死”的单元，而是通过给单元刚度乘以一个很小的系数，此系数系统默认为1.0E－6，而且可以通过ESTIF进行修改。在计算之前，先“Kill”AFRP单元，等荷载施加到达预加载程度时，激活AFRP单元，加固开始，然后进行下一步计算分析。

3 有限元计算结果

3.1 与试验结果的比较

如表3所示，梁的挠度误差偏大，极限荷载偏差不是很大，这是由于有限元模拟过程中假设了钢筋与混凝土，FRP与混凝土界面不发生滑移，保持一致，加载初期，有限元模拟结果和实际试验结果还是一致的，但是钢筋屈服后，有限元模拟梁和实际试验梁的延性出现了偏差，以致挠度值出现跳跃，和实际试验结果造成了一定误差。故总体上来说有限元模拟结果和实体试验结果是基本吻合的。

3.2 结果分析

3.2.1 主要仿真试验结果

各仿真梁的极限荷载和最大挠度的主要试验结果列于表4。可以看出，极限承载力方面B－2、B－3、B－4以及B－5梁相对于B－1梁极限荷载明显的增加，但提高程度不同。在相同加固方式下，B－2的极限承载力提高程度最大56.25%，B－5最小 12.50%，B－3、B－4居中分别为37.50%和18.75%。零预加载情况下，加固效果比较明显，随着预加载程度的提高，加固效果越来越不理想，特别是B－5其极限承载力只是略微的提高6 kN，与B－2的提高程度相差40%之多。试验结果表明，在二次受力情况下，AFRP相对于钢筋产生了不同的滞后应变，预加载越大，滞后应变越大，AFPR在共同抗拉受力中起的作用就越小，承载力提高也越小，故加固效果也越不明显。对于最大挠度，B－2、B－3、B－4以及B－5梁相对于B－1梁都有所下降，各自的提高程度分别为20.19%、35.50%、33.77%、31.75%;对于预加载的三根梁，其提高程度相差无几，非常接近，故由此表明，相同加固条件下，预加载程度的大小对梁的变形影响不大。

3.2.2 荷载－挠度曲线

各仿真梁的荷载－挠度关系曲线如图5所示，与B－1梁相比，其他四根梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载均有提高，最大挠度都略有降低。图中B－3、B－4、B－5梁曲线在B－1和B－2梁曲线之间，说明预先施加了一定荷载再进行加固，最后加固梁得到的极限承载力小于预先未施加荷载的加固梁，而上述3根梁施加了不同的预加载，图中三条曲线从上到下依次排列为梁B－3、B－4、B－5。由此可以得出，随着预加载程度的增加，相同加固方式得到的加固效果反而越不明显;从图中还可以看出B－3、B－4及B－5梁的最大挠度相差不大，它们和B－1、B－2梁的最大挠度有一定的差距，由此可以得出预加载会对加固梁的变形产生一定的作用，但预加载程度大小对加固的梁变形无多大影响。