摘要：碳纖維布加固T梁是橋梁工程中常用的加固手段。本文在有限元軟件ANSYS的基礎(chǔ)上結(jié)合工程實例對加固后T梁的正截面抗彎承載力進行分析。結(jié)果表明碳纖維布加固可以有效提高混凝土梁的抗彎性能。

　　關(guān)鍵詞：碳纖維布;有限元分析;加固;受彎承載力

　　Abstract: Using the CFRP reinforced T shaped beams in bridge engineering is very popular. This paper adopts ANSYS to analyze the normal section flexural strength of reinforced concrete T beam which is reinforced by CFRP, combining with engineering examples. Results show that CFRP reinforced concrete beams can be effectively improved the flexural performance.

　　Keywords: CFRP; finite element method; reinforce; the flexural performance

　　中圖分類號：U443.1 文獻標識碼： A文章編號：2095-2104(2012)

　　1 引言

　　橋梁加固中，碳纖維布與傳統(tǒng)的粘鋼板、外包混凝土等方法相比具有高強度、高耐腐蝕性能、高抗疲勞性能及防水性能、自重輕和施工方便等顯著優(yōu)點，利用碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件在近些年來的橋梁加固中應(yīng)用極為廣泛[1]。

　　本文選擇工程中廣泛采用的鋼筋混凝土T型簡支梁為研究對象，并結(jié)合有限元分析軟件ANSYS進行模型分析，旨在對碳纖維布加固橋梁結(jié)構(gòu)的效果進行探討和研究。

　　2 計算假定

　　本文對碳纖維布加固鋼筋混凝土梁進行分析計算時，采用以下假定：[3][4]

　　(1) 截面變形符合平截面假定;

　　(2) 混凝土梁開裂后不考慮受拉區(qū)混凝土的作用;

　　(3) 受壓區(qū)混凝土的應(yīng)力圖形簡化為矩形，其抗壓強度取混凝土的軸心抗壓強度設(shè)計值;

　　(4) 在達到受彎承載力極限狀態(tài)前，碳纖維與混凝土之間應(yīng)有粘結(jié)可靠，不發(fā)生剝離破壞;鋼筋與混凝土粘結(jié)良好，不發(fā)生相對滑移。

　　(5) 碳纖維布中心到梁頂距離等于梁高。

　　3 有限元模型的建立

　　鋼筋混凝土有限元分析一般有三種模型：分離式、組合式和整體式[2]。本文采用碳纖維布加固鋼筋混凝土T梁，由于組成材料復雜，可以采用分離式模型，把混凝土、鋼筋及碳纖維布分別作為不同的單元來處理，及各自劃分為適當?shù)膯卧�。由于假定不考慮鋼筋和混凝土之間、碳纖維布和混凝土之間的相對滑移，且認為在加載過程中不會出現(xiàn)加固材料的脫落，在采用分離式模型時采用的處理辦法是：混凝土單元與鋼筋單元共用節(jié)點，混凝土單元與碳纖維布共用節(jié)點，以此來保證它們之間的位移協(xié)調(diào)。

　　本文采用線彈性單元(Solid65)模擬混凝土;采用空間一維鏈桿單元(3-D link8)模擬鋼筋;采用4節(jié)點三維殼單元(Shell41)模擬碳纖維布，諸多實驗證明，碳纖維材料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系接近理想彈性，其本夠關(guān)系如圖1所示。因此，在本次有限元分析中，設(shè)定碳纖維布為理想彈性材料，且若纖維應(yīng)力超過其抗拉強度，則認為纖維斷裂。

　　4 有限元計算工程實例

　　某大橋為跨徑20m的鋼筋混凝土T形橋梁，計算跨徑為19.5m，橋面寬度為11m，全橋由5片梁組成，主梁間距為2.2m，主梁高度為1.5m。跨中截面內(nèi)力值為：構(gòu)件自重彎矩標準值 =1728.87KNm,車輛荷載彎矩標準值 =985.81KNm，人群荷載彎矩標準 。

　　彎矩組和設(shè)計值 3574.36KNm

　　原梁設(shè)計混凝土強度等級為C30，跨中截面下部配有14Φ32上部配有2Φ22鋼筋。由于某種原因，鋼筋出現(xiàn)銹蝕，且銹蝕率達到20%。為了使承載力達到設(shè)計時強度，用碳纖維布進行加固。采用的碳纖維布為高強度I級，300g/mm ，計算厚度為 0.167rnm，計算寬度 mm，抗拉強度設(shè)計值 =1600MPa，彈性模量設(shè)計值 ，拉應(yīng)變設(shè)計值 =0.007。

　　計算由于鋼筋銹蝕引起承載力不足，在鋼筋銹蝕率為20%的情況下，梁下部的受拉鋼筋面積 ，需加固的碳纖維布的層數(shù)計算采用如圖2所示計算簡圖，結(jié)合相關(guān)規(guī)范[5][6][7]可求得需要粘貼三層碳纖維布可滿足要求。

　　最大拉應(yīng)力為14.4Mpa出現(xiàn)在梁底跨中部分;若不考慮支座處由于應(yīng)力集中出現(xiàn)的最大壓應(yīng)力，最大的壓應(yīng)力為6.88MPa出現(xiàn)在梁頂跨中部分。跨中最大撓度為17mm。

　　按照鋼筋面積減小20%進行模擬，在荷載作用下，鋼筋混凝土T梁的應(yīng)力云圖如圖5所示：

　　可以看出，最大拉應(yīng)力為15.5Mpa出現(xiàn)在梁底跨中部分;若不考慮支座處由于應(yīng)力集中出現(xiàn)的最大壓應(yīng)力，最大的壓應(yīng)力為9.48MPa出現(xiàn)在梁頂跨中部分。跨中最大撓度為18mm。

　　按照鋼筋面積減小20%并在跨中三分之一處梁的底部粘貼三層碳纖維布進行模擬，在荷載作用下，鋼筋混凝土T梁的應(yīng)力云圖如圖6所示：

　可以看出，最大拉應(yīng)力為25.8Mpa出現(xiàn)在梁底碳纖維布材料上;若不考慮支座處由于應(yīng)力集中出現(xiàn)的最大壓應(yīng)力，最大的壓應(yīng)力為9.5MPa出現(xiàn)在梁頂跨度的1/3處。跨中最大撓度為11mm.

　　碳纖維布的最大拉應(yīng)力為25.8Mpa，小于其抗拉強度設(shè)計值。

　　5結(jié)束語

　　本文運用有限元軟件并結(jié)合相關(guān)規(guī)范，針對碳纖維布加固鋼筋混凝土T梁進行有限元分析，并結(jié)合ANSYS有限元分析軟件進行模擬分析，證實粘貼碳纖維布可以有效的提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載力和變形性能。為碳纖維布加固混凝土T梁的設(shè)計計算提供參考。

　　參考文獻：

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　　[2] 陳磊.基于ANSYS的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)試驗有限元分析[D].西安理工大學碩士論文，2004

　　[3] 周愛軍.粘貼碳纖維布加固橋梁的抗彎承載力計算方法與應(yīng)用[J].鐵道建筑，2006(10)

　　[4] 王勖成.有限元法[M].清華大學出版社，2003

　　[5] GB50367—2006，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范

　　[6] GB50010—2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范

　　[7] JTGD62—2004，公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范