諶菊紅

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000）

黏碳纖維（Carbon Fiber Reinforced Ploymer，簡稱CFRP）法是目前結(jié)構(gòu)加固補強常用的方法之一，由于CFRP具有材料輕質(zhì)、耐腐蝕、片材很薄、抗拉強度高以及施工方便等許多優(yōu)良的性能，因此非常適用于土木工程加固領(lǐng)域[1]。隨著有限元理論的日趨完善以及計算機技術(shù)水平的快速發(fā)展，采用有限元方法對碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件進行研究，已經(jīng)成為橋梁領(lǐng)域研究的熱點[2]。國內(nèi)外學(xué)者對該方向進行了很多ANSYS數(shù)值模擬分析，同時作為一種新的結(jié)構(gòu)加固修復(fù)技術(shù)，其在工程中也廣泛應(yīng)用[3]，并且使用有限元分析的方法能解決普通解析方法分析不了的復(fù)雜的碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件的問題。目前，工程領(lǐng)域能使用的有限元程序已經(jīng)有數(shù)百種。該文簡要介紹使用MIDAS軟件分析CFRP加固后的鋼筋混凝土構(gòu)件的影響以及建模時單元選取、網(wǎng)格劃分、加載等方面需要注意的一些事項。對不同加固層，不同纖維布布置位置在不同荷載作用下梁、板的應(yīng)力狀況進行分析。

1 模型的建立

1.1 模型尺寸及材料特性

定性定量地分析在不同荷載作用下，相同鋼筋混凝土簡支梁試件在不同纖維布布置位置和不同層數(shù)時對鋼筋混凝土梁抗裂加固效果的影響。建模模型為矩形截面鋼筋混凝土簡支梁，長度為2000 mm，截面尺寸為120 mm×240 mm?；炷翉姸鹊燃墳镃30，保護層厚度為30 mm，梁的受壓鋼筋為2根直徑8 mm的HPB33級鋼筋，受拉鋼筋為2根直徑12 mmHPB335級鋼筋。在梁段1/3點位置進行分級對稱的加載。模型尺寸、加載位置如圖1所示。

圖1 模型尺寸及加載位置（單位：mm）

為了將加固材料和構(gòu)件連接為整體，一般通過樹脂膠將纖維布固定在鋼筋混凝土梁底，這樣既不會影響試驗構(gòu)件的力學(xué)性能，又能達到黏接的效果。結(jié)構(gòu)各材料鋼筋、混凝土、樹脂膠及碳纖維布的材料性能見表1。

表1 材料特性

1.2 加載方式及模型建立

利用有限元軟件MIDAS建模，建模時混凝土為實體單元，受拉受壓鋼筋為桿單元，膠層和纖維布為板單元[4]。在使用MIDAS軟件進行計算時，集中荷載是直接加載到節(jié)點上，由于加載點處和支座處的荷載較大，在局部很可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，并且可能使應(yīng)力集中部位的混凝土單元被壓碎，從而導(dǎo)致計算發(fā)散，影響分析結(jié)果。為了使集中力位置受力更合理，在建模時，在加載位置劃分加密網(wǎng)格，模型如圖2所示。

該文主要分析碳纖維布位置和碳纖維布層數(shù)在不同等級荷載作用下對模型的影響，分別建立了4種受力模型[5]。模型一：碳纖維布沿梁長度方向布置在梁底兩側(cè)，布置一層；模型二：碳纖維布沿梁長度方向布置在梁底兩側(cè)，布置兩層；模型三：碳纖維布沿梁長度方向布置在梁底中間，布置一層；模型一：碳纖維布沿梁長度方向布置在梁底中間，布置兩層。如圖3所示。

圖3 4種受力模型（單位：mm）

因此分析纖維布位置對構(gòu)件的影響時，碳纖維布層數(shù)是定量，碳纖維布位置是變量，模型一和模型三為同一組對比量文中以第一組模型命名，模型二和模型四為同一組對比量文中以第二組模型命名；分析碳纖維布層數(shù)對構(gòu)件的影響時，碳纖維布位置是定量，碳纖維布層數(shù)是變量，模型一和模型二為同一組對比量文中以第三組模型命名，模型三和模型四為同一組對比量文中以第四組模型命名。

2 計算結(jié)果分析

按照模型圖纖維布的布置方式，分別對4種模型模擬相同靜力荷載工況下不同的集中力進行分析，分析構(gòu)件在20kN～180kN的分級荷載之間實體單元和纖維布的變化情況，分析結(jié)果見表2、表3。

表2 實體單元SIG-XX應(yīng)力圖

表3 板單元SIG-XX上緣應(yīng)力圖

從表1的數(shù)據(jù)中可以看出，隨著集中荷載增加，構(gòu)件內(nèi)鋼筋的拉應(yīng)力也隨之增大，并且將4個模型構(gòu)件和不加纖維布的模型構(gòu)件進行比較，在相同荷載下混凝土內(nèi)的鋼筋拉應(yīng)力變化較小，這說明布置在混凝土底部的碳纖維布對構(gòu)件內(nèi)鋼筋的拉應(yīng)力影響不顯著。從表2的數(shù)據(jù)中可以看出布置了碳纖維布后，梁底的拉應(yīng)力增大，這說明碳纖維布確實有抵抗拉應(yīng)力的作用，并且變化較大。

2.1 碳纖維布位置對混凝土梁應(yīng)力的影響

為了進一步分析碳纖維布對混凝土抗裂性的影響，接下來對4組對比模型進行數(shù)據(jù)分析，并對分析結(jié)果進行闡述。

圖4為實體單元應(yīng)力圖，顯示的是不同模型鋼筋應(yīng)力變化，同組對比模型碳纖維布層數(shù)一致，布置位置不同，圖4（a）為原模型和加固一層碳纖維布，碳纖維布位置分別在兩邊和中間的實體單元X方向應(yīng)力圖，圖4（b）為原模型和加固兩層碳纖維布，碳纖維布位置分別在兩邊和中間的實體單元X方向應(yīng)力圖；圖5為板單元應(yīng)力圖，顯示的是不同模型碳纖維布應(yīng)力變化，同組對比模型碳纖維布層數(shù)一致，布置位置不同，圖5（a）為加固一層碳纖維布，碳纖維布位置分別在兩邊和中間的板單元X方向應(yīng)力圖，圖5（b）為加固兩層碳纖維布，碳纖維布位置分別在兩邊和中間的板單元X方向應(yīng)力圖。

從圖4可以看出，在相同的荷載強度下，碳纖維布無論布置在梁底兩側(cè)還是梁底中間，實體單元和板單元的應(yīng)力變化都差不多，碳纖維布的位置對梁內(nèi)鋼筋應(yīng)力影響較?。粡膱D5中可以看出，在相同荷載強度下，碳纖維布布置在梁底兩側(cè)的實體單元和板單元產(chǎn)生的應(yīng)力比碳纖維布布置在梁底中間產(chǎn)生的應(yīng)力小，說明碳纖維布布置在梁底兩側(cè)的效果比布置在梁底中間要好。

圖4 實體單元應(yīng)力圖

圖5 板單元應(yīng)力圖

2.2 碳纖維布層數(shù)對混凝土梁應(yīng)力的影響

圖6為實體單元應(yīng)力圖，顯示的是不同模型鋼筋應(yīng)力變化，同組對比模型碳纖維布位置一致，布置層數(shù)不同，圖6（a）為原模型和碳纖維布布置在梁底兩側(cè)，分別加固一層碳纖維布和加固兩層碳纖維布實體單元X方向應(yīng)力圖，圖6（b）為原模型和碳纖維布布置在梁底中間，分別加固一層碳纖維布和加固兩層碳纖維布實體單元X方向應(yīng)力圖；圖7為板單元應(yīng)力圖，顯示的是不同模型碳纖維布應(yīng)力變化，同組對比模型碳纖維布位置一致，布置層數(shù)不同，圖7（a）為碳纖維布布置在梁底兩側(cè)，分別加固一層碳纖維布和加固兩層碳纖維布板單元X方向應(yīng)力圖，圖7（b）為碳纖維布布置在梁底中間，分別加固一層碳纖維布和加固兩層碳纖維布板單元X方向應(yīng)力圖。

圖7 板單元應(yīng)力圖

從圖6可以看出，在相同的荷載強度下，碳纖維布無論布置一層還是兩層，實體單元和板單元的應(yīng)力變化都差不多，碳纖維布的數(shù)量對梁內(nèi)鋼筋應(yīng)力影響較??；從圖7中可以看出，當(dāng)荷載強度相同時，碳纖維布布置一層的實體單元和板單元產(chǎn)生的應(yīng)力比碳纖維布布置兩層產(chǎn)生的應(yīng)力小，說明碳纖維布布置兩層效果比布置一層要好。

3 結(jié)論

該試驗的主要目的是研究碳纖維布加固的理想效果，所以模擬了簡支梁進行軟件分析試驗，如果需要將研究結(jié)果應(yīng)用到橋梁及其他領(lǐng)域，就應(yīng)該設(shè)計相應(yīng)足尺試件來進行試驗，以確認(rèn)碳纖維布的實際加固效果。

該文分別對4種模型進行數(shù)值模擬，在混凝土強度等級不變的情況下，在構(gòu)件的三分之一點施加20 kN～180 kN的集中荷載，得到以下結(jié)論：1）碳纖維布加固可顯著提高混凝土梁的動力性能，減少混凝土應(yīng)力，充分提高混凝土的抗壓強度，減少截面開裂的情況，能有效控制裂縫的發(fā)展。2）碳纖維布層數(shù)和布置位置與加固效果密切相關(guān)，梁的第一主應(yīng)力隨著碳纖維層數(shù)的增加而減少，即抗裂效果比較顯著。纖維布布置在梁底兩側(cè)比布置在梁底中間抗裂效果好。