两种结构加固方法的三维有限元分析

　　0　引言

　　外贴纤维加固是用胶结材料把纤维增强复合材料贴于被加固构件的受拉区域,使它与被加固截面共同工作,以达到提高构件承载能力的目的.与外贴纤维加固相似,外部粘钢加固是一种用胶粘剂把钢板粘贴在构件外部(通常是粘于梁底受拉区)进行加固的方法[1].这两种方法较传统的加固方法具有明显的优势:高强高效;施工便捷,功效高;具有极佳的耐腐蚀和耐久性;适用面广,可适用于各种结构;施工质量容易保证[2].本文采用通用有限元软件ansys分别对外贴纤维加固法和外部粘钢加固法进行尝试性分析.

　　1　实例计算

　　1.1　建立模型

　　模型采用钢筋混凝土简支梁,其形状、大小与配筋如图1所示.有限元分析方案如下:ML1,没有任何加固措施,受渐变力作用,用于计算对比;ML2,底部粘贴有碳纤维布CFRP,其中CFRP的纤维方向与梁的长度方向一致;ML3,底部粘贴有钢板.

　　有限元分析模型左端底部竖向约束位移为零,右端底部竖向及左右向约束位移为零,网格划分见图2,共划分混凝土单元3 000个,钢筋单元1 100个.

　　1.2　单元类型

　　1.2.1　钢筋混凝土及支座

　　钢筋混凝土分别采用整体分离式模型和部分分离式模型分析.整体分离式模型即传统的分离式,纵向钢筋和箍筋都采用分离式分别做出;部分分离式模型即其中纵向钢筋采用分离式,箍筋采用整体式,以配筋率加入混凝土单元中,方便建模.整个有限元分析模型采用三维模型,混凝土采用3-D钢筋混凝土实体单元Solid65,钢筋采用3-D杆单元Link8(即三维2节点线单元). Solid65是在三维8节点等参元Solid45的基础上,增加了针对混凝土的性能参数和组合式钢筋模型,可以计算开裂和压碎.考虑到收敛性,计算时关闭混凝土的压碎功能,混凝土的破坏主要由其抗拉性能来控制.为了避免应力集中现象,在两端支承处设置钢板垫块,采用3-D实体单元Solid45即三维8节点等参单元[3].

　　1.2.2　CFRP聚合材料及粘贴钢板

　　外包碳纤维布单元采用Shell41膜单元,该单元只能承受拉力作用,没有抗弯、抗压能力,符合碳纤维布约束混凝土中的受力状况.粘贴钢板采用Solid45单元,它是一种8节点三维结构实体单元,每个节点有三个自由度,即沿节点坐标系x,y,z方向的平动.两种加固单元均梁底满布.

　　1.3　材料属性

　　1.3.1　混凝土

　　1)混凝土破坏准则采用William-Warnke五参数破坏准则.有限元程序需要输入混凝土材料属性的数据为弹性模量Ec,泊松比ν,单轴抗压强度fc,单轴抗拉强度fr,剪切传递系数βt.混凝土设计强度为C25,弹性模量Ec=1.8×104MPa,泊松比ν=0.2,单轴抗拉强度fr=1.75 MPa.由于计算时关闭混凝土的压碎功能,所以单轴抗压强度fc=-1.剪切传递系数βt代表混凝土剪切面的状况,其取值范围为0.0~1.0,取0.0时代表光滑的裂缝,取1.0时代表粗糙的裂缝.本例张开剪切传递系数取0.5,闭合剪切传递系数取0.9,以满足有限元计算程序的收敛性[3].