对粘CFRP布钢筋混凝土柱受力性能的有限元分析.docVIP

对粘CFRP布钢筋混凝土柱受力性能的有限元分析 土木工程系 王志刚 摘要：为验证CFRP加固方法的有效性，采用整体式和分离式相结合的方法建立了构件的有限元分析模型。。— 7850 0.3 2.1?05 220 ，— CFRP 1760 0.17 2.29?05 3800 — 有限元模型的几何尺寸和配筋如图1所示。 试件截面为圆形,截面直径为200mm,柱身高180cm;主筋采用6φ12钢筋,箍筋为φ6钢筋, 采用螺旋式箍筋。试件表面粘贴60cm高的CFRP。 王志刚，讲师，东南大学土木工程学院硕士研究生。 (a) (b) (c) (d) 图1 CFRP增强混凝土试件尺寸与陪筋图 图2 有限元计算模型分解图 模型底部按固定端考虑。混凝土采用三维六面体单元,整个有限元分析模型建为三维模型。考虑箍筋对混凝土材料主要起约束作用,对各混凝土单元贡献的差别不大,将箍筋材料弥散于混凝土单元中与混凝土材料共同受力。混凝土单元的本构关系矩阵表达式为D=De+Ds(1)。式中,D为单元整体本构关系矩阵,De为混凝土的本构关系矩阵,Ds为钢筋的本构关系矩阵。碳纤维复合材料采用膜单元,其单元结点和混凝土单元结点重合。主筋对各混凝土单元贡献的差别较大,因此主筋采用杆单元单独建模。图2表示了试件的有限元模型。(a)为CFRP增强混凝土构件模型,(b)为混凝土有限元模型, (c)为纤维布有限元模型, (d)为钢筋有限元模型。 计算过程与结果分析 采用William Warnke五参数强度破坏准则,采用弥散式裂缝模型(Smeared Cracking Model) 。当混凝土单元的主拉应力超过与其应力状态相对应的混凝土抗拉强度时,该单元沿垂直于主拉应力方向开裂。混凝土单元开裂后,垂直裂缝方向不再传递拉力,应相应地调整单元刚度矩阵。计算时采用牛顿-拉斐逊迭代法,将荷载分成许多小的荷载,以分析线性问题来近似模拟非线性问题,荷载分得越细,结果就越接近正确解。计算迭代公式为 [KT]n{Δδ}n = {ΔF}n (2) δn =δn-1 + {Δδ}n (3) (2)式中, {ΔF}n为第n级的载荷增量列阵。本文所采用的加载路径为:先施加轴向压力F,然后保持F的大小和方向不变,再在模型上端施加水平荷载。图3表示未增强构件与增强构件的有限元计算结果的荷载-挠度曲线图,其中试件Z1为未增强试件,试件Z2粘贴环向CFRP的增强试件。从图3中可看出增强构件与未增强构件的荷载-挠度计算曲线在加载前期总体趋势基本相同,随着荷载提高,曲线有所偏离,但两曲线的斜率基本不变。结果说明包裹CFRP有效地提高混凝土柱的承载力。 图3 构件的荷载-挠度曲线图 图4 单向和双向往复水平地震荷载作用的加载路径 理论分析 混凝土构件受荷后的破坏过程为:构件内部微观裂纹的扩展,形成宏观裂纹,最终导致混凝土结构的破坏。粘贴环向CFRP增强混凝土结构受荷后,混凝土受到外包CFRP材料的约束作用,延缓了构件的开裂,因此提高了结构的承载力,CFRP材料的作用与箍筋的作用相类似。 粘CFRP布钢筋混凝土柱的抗震性能分析。 原理分析 横向粘帖CFRP材料对受压区混凝土由于泊松效应而产生的横向膨胀变形起到有效的限制作用，提高了混凝土的极限抗压变形性能，从而改善了柱的延性性能。利用粘贴CFRP防止地震中脆性的剪切破坏，利用CFRP高抗拉性能来限制斜裂缝的出现和开展，把被裂缝分割的混凝土连接在一起，共同承受荷载，保证了剪切承载面积，从而提高了混凝土柱的抗剪承载能力。由于CFRP的极限拉应变较大，破坏前变形较明显，弥补了混凝土剪切破坏变形小的缺点，防止了剪切破坏的突然性。 分析模型的建立 模型如图1，2所示。抗震性能分析中混凝土单元采用ANSYS单元库中8节点立方体混凝土单元(Solid65);钢筋单元采用Link8杆单元，以分离方式布置;碳纤维布单元采用四边形膜单元She1141。分析中假设碳纤维布和混凝土之间粘接良好。在潜在的塑性铰区进行了单元加密，以便捕捉各点受力状态的变化。加载方式采用拟静力试验的方法，首先将轴向荷载加至预定值，然后按分级加载的方式施加水平荷载，直至破坏。 有限元分析 本文采用的模拟轴向压力作用下单向