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高强混凝土梁的有限元分析

发布于:2018-03-03 20:21
有限元分析

       纤维增强塑料(FRP)是一种高强度的纤维复合材料,它由纤维丝与树脂等聚合物结合而成,种类包括碳纤维增强塑料(CFRP)、玻璃纤维增强塑料(GFRP)和芳纶纤维增强塑料(AFRP)。由于轻质、高强、抗腐蚀性能与抗疲劳性能好等优点,FRP加固技术越来越广泛的应用于土木工程结构中碳纤维布加固修复混凝土结构技术是一项新型高效的结构加固修复技术,较传统的结构加固具有高效、施工便捷、适用性广等优越性,国外已在房屋、桥梁、隧道等土木工程领域中对其进行了广泛应用。加固方法一般可以分为表面粘贴FRP加固法与表层嵌贴FRP加固法在国内己有的加固工程中,大多数采用表面粘贴FRP加固法,将纤维片材粘贴于混凝土表面进行加固。由于碳纤维布加固高强混凝土梁是一种含有多种材料的复杂受力体系,用现有的计算公式很难完全分析其受力机理、破坏特性、材料之间的相互作用等。现阶段对碳纤维布加固高强混凝土梁的研究一般采用试验的方法,但这种方法不但费时、费力,而且需要耗费巨大的材料、人工成本。试件的制备、试验的过程、人工的操作以及数据的采集等往往会受到各种因素的影响而导致误差较大,试验结果不能较好地反应碳纤维布加固高强混凝土梁的受力破坏过程。随着有限元分析理论的日趋成熟以及计算机技术水平的不断提高,用有限元分析App对碳纤维布加固高强混凝土梁进行数值模拟的方法得到了广泛应用。以文献中3根梁的试验数据为依据,建立三维有限元分析模型,采用通用有限元计算AppANSYS对其进行数值模拟,通过与试验结果比较表明,有限元方法可以较好地分析碳纤维布加固高强混凝土梁的抗弯受力性能。
       选取设计的3根试验梁进行数值模拟,截面尺寸bxh=180mmx300mm,跨度L=2700 mm,净跨L0 =2400 mm,梁的架立筋和箍筋均采用HPB235,直径为10 mm;梁剪跨区内对箍筋加密,间距为100 mm,纯弯段内箍筋间距为200 mm;纵筋采用HRB335,直径为25 mm配筋率为p=2.08 %。梁混凝土单元选用具有混凝土性质的Solid65单元,该单元可以较真实地模拟混凝土材料在受力过程中的真实情况,包括塑性和徐变引起的材料非线性、大位移引起的几何非线性、混凝土的开裂和压碎引起的复杂的非线性等多种混凝土材料特性,更接近实际情况。钢筋采用二节点三维杆单元Link8进行模拟,Link8单元有两个节点,每个节点具有X,Y,Z位移方向的自由度,能模拟塑性、膨胀、蠕变、应力刚化和大变形等。CFRP板条采用弹性壳单元,该单元具有弯曲以及薄膜特性,每个节点具有6个自由度。为了防止荷载直接加在钢筋混凝土梁上产生应力集中,集中荷载作用处以及简支支座处需要添加弹性垫块,垫块用Solid45单元进行模拟。
       垫块的设置主要用来分配集中荷载与施加约束,为了避免垫块进入塑性阶段后会产生大的变形,垫块按各向同性材料的线弹性本构关系选取,由于CFRP板条粘贴于混凝土表面,受力状态主要为单轴受拉状态,且受拉方向与长度方向一致,此时其应力应变在加载或卸载时服从胡克定律,所以决定按各向同性材料的线弹性本构关系考虑。


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