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的基礎上結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點，利用碳纖維布加固鋼筋混凝土構件在近些年來的橋梁加固中應用極為廣泛[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構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混凝土的作用;

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

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

　　(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，及各自劃分為適當的單元。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點，混凝土單元與碳纖維布共用節點，以此來保證它們之間的位移協調。

　　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，碳纖維材料的應力—應變關系接近理想彈性，其本夠關系如圖1所示。因此，在本次有限元分析中，設定碳纖維布為理想彈性材料，且若纖維應力超過其抗拉強度，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�？缰薪孛鎯攘χ禐椋簶嫾�自重彎矩標準�� =1728.87KNm,車輛荷載彎矩標準值 =985.81KNm，人群荷載彎矩標準 。

　　彎矩組和設計值 3574.36KNm

　　原梁設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，鋼筋出現銹蝕，且銹蝕率達到20%。為了使承載力達到設計時強度，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，抗拉強度設計值 =1600MPa，彈性模量設計值 ，拉應變設計值 =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計算采用如圖2所示計算簡圖，結合相關規范[5][6][7]可求得需要粘貼三層碳纖維布可滿足要求。

　　最大拉應力為14.4Mpa出現在梁底跨中部分;若不考慮支座處由于應力集中出現的最大壓應力，最大的壓應力為6.88MPa出現在梁頂跨中部分�？缰凶畲髶隙葹�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梁的應力云圖如圖5所示：

　　可以看出，最大拉應力為15.5Mpa出現在梁底跨中部分;若不考慮支座處由于應力集中出現的最大壓應力，最大的壓應力為9.48MPa出現在梁頂跨中部分�？缰凶畲髶隙葹�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梁的應力云圖如圖6所示：

　可以看出，最大拉應力為25.8Mpa出現在梁底碳纖維布材料上;若不考慮支座處由于應力集中出現的最大壓應力，最大的壓應力為9.5MPa出現在梁頂跨度的1/3處�？缰凶畲髶隙葹�11mm.

　　碳纖維布的最大拉應力為25.8Mpa，小于其抗拉強度設計值。

　　5結束語

　　本文運用有限元軟件并結合相關規范，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構的承載力和變形性能。為碳纖維布加固混凝土T梁的設計計算提供參考。

　　參考文獻：

　　[1] 卜良桃，周錫金.工程結構可靠性鑒定與加固[M].中國建筑工業出版社，2009

　　[2] 陳磊.基于ANSYS的鋼筋混凝土結構試驗有限元分析[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，混凝土結構加固設計規范

　　[6] GB50010—2002，混凝土結構設計規范

　　[7] JTGD62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范