碳纤维复合材加固钢筋混凝土受弯构件平面假设研究.pdf

2 0 1 1 年第 5期 5月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C ONC RE T E AND C EME NT P R ODUC T S 2 01 l No 5 Ma y 碳纤维复合材加固钢筋混凝土受弯构件平面假设研究 史瑞英 ， 赵 志平 ， 李 占巧 ( 河北 工业 职业技 术学 院 ， 石 家庄 0 5 0 0 9 1 ) 摘 要 ： 利用大型通用有限元软件 A NS Y S ， 对碳 纤维片复合材加 固钢 筋混凝 土 T形梁的平面假设进行 了研究 分析 了各级荷 栽下横截 面上的水平位移。分析结果表明 ， 平面假 设在 所有情 况下均是有效的。 关键 词 ： 碳 纤 维复 合 材 ； 钢 筋 混 凝 土 T 梁 ； 平 面假 设 ； 仿 真 模 拟 Ab s t r a c t ： U s i n g t h e l a r g e c o mmo n fi n i t e e l e me n t ANS YS s o f t w a r e ，t h e p l a n e a s s u mp t i o n s o f c r o s s s e c t i o n o n s t r e n g t h e n e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e T b e a m wi t h c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d p o l y me r c o mp o s i t e ma t e r i a l a r e r e s e a r c h e d Ho r i z o n t a l d i s p l a c e me n t o n t h e c r o s s s e c t i o n u n d e r l o a d i n g s i s a n a l y z e d n1 e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e p l a n e a s s u mp t i o n s o f c r o s s s e c t i o n u n d e r a l l s i t u a t i o n s a r e a v a i l a b l e Ke y wo r d s ： C a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d p o l y me r( C F RP ) ； Re i n f o r c e d c o n c r e t e T b e a m； P l a n e a s s u mp t i o n o f c r o s s s e c t i o n ； S i mu l a t i o n 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 1 ) O 5 4 0 0 3 O前 言 在 G B 5 0 3 6 7 2 0 0 6 ( 混凝土结构加固设计规范 条文说明第 9 2 1 条中有这样 的内容 ： “ 对受弯构件 的受拉面粘贴纤维增强复合材进行加 固时， 其截面 是否满足平截面假设 ，持可用 和不可用观点各 占 5 0 ；不过在当前试验研究工作尚不足 以做出改变 的情况 下 ， 仍可加以借用 ， 而不致造成很大问题” 。 本文利用大型通用有限元软件 A N S Y S ， 对碳纤维复 合材加 固钢筋混凝土 T形梁的平面假设进行了研 究 。利 用 A N S YS提供 的海 量信 息 和 丰富 的视 景 系 统 ，分析了各级荷载下不同横截面上的水平位移 ； 同时运用数理统计理论对平面假设做了定量分析。 1 仿真 模拟设 计 仿真模拟 的案例 为装 配式普通 钢筋混凝土 T 形梁标准图， 设计荷载为公路一级 ， 结构型式为钢 筋混凝土简支梁， 跨径 1 6 m， 整体模型见图 1 。 图 1 整体模型图 粘贴碳纤维板材的技术指标为 ：高强度 级 ， 重要构件 ， 厚度 1 2 ram， 抗拉强度 1 0 0 0 MP a ， 弹性模 量 1 4 0 0 0 0 MP a。当达到极限承载力时， 钢筋混凝土 一 4 0一 部分和碳纤维板材的应力分布分别见 图 2和图 3 。 对于均布荷载 ， 极 限荷载为 1 6 0 7 5 k N， 极限弯矩 为 3 01 4 1 k N I l l 。 图 2 极限荷载作用下混凝 土的纵 向应力分布 图 3 极限荷载作用下碳纤维 的纵 向应力分布 2数据 的获 取与处 理 2 1 截 面 的选择 选 择两 个截 面 ，截 面 1 位 于跨 中截 面 ，截 面 2 位 于 1 4跨度 的截 面上 。 截面 1节点见图 4 ， 截面 2节点见图 5 ， 2 2 加 载级别设 计 模 拟梁 加 固后 的极 限荷 载 为 1 6 0 7 5 k N ，若 按 史瑞英， 赵志平 ， 李 占巧 碳纤维复合材料加固钢筋混凝土受弯构件平面假设研究 5 l ： 0 ： 口 “ l I ： ：a， ： 。 ：i： ii：t ； I ， j = l 图 4截面 1 上 的节点及其编号 l - 图 5截 面 2上 的节 点 及其 编 号 G B 5 0 3 6 7 2 0 0 6 ( 混凝土结构加 固设计规范 计算， 加 固 后 所能 承 受 的极 限 承 载 力 与 软件 模 拟 的结 果 只 相差 0 1 6 7 。若 不考 虑加 固 ， 该梁 的极 限 承载 力为 1 2 6 1 k N。我们 首先 取极 限荷 载 的 2 0 ， 此 时 梁基 本 处 于 弹性 阶段 ，由于 模拟 时 打 开 了 自动时 间 步 ， 所 以荷载 1 取 2 4 7 2 k N； 荷 载 2选极 限荷 载 1 6 0 7 5 k N。 2 3荷载 1的数据 输 出与处理 当荷 载为 3 2 7 1 2 k N 时 ， 软件 输 出 的截面 1 所 有 节点 沿与 截面垂 直方 向 的位移均 为 2 2 8 2 4 mm， 说 明 此 时横 截 面严格保 持 为平 面 。 当荷载 为 3 2 7 1 2 k N时 ， 软件输 出的截 面 2上各 点 的水 平位 移分 布见 图 6 。 从 图中 可看到 ， 当荷 载较 4l 0 图 6 距 梁 右端 4 0 0 0 mm 截 面水 平 位 移 分 布 ( 2 4 7 2 k N) 小 时 ， 水 平 位 移 分 布 呈典 型 的 直线 ， 即横 截 面 保 持 为 平 面。 2 4 荷载 2的数据输 出与处理 当加 固后 的梁达 到极 限荷 载 1 6 0 7 5 k N 时 ， 跨 中 截 面个 节点 的水平 位 移 ， 软 件输 出结果 见 表 1 。 表 1 节点 位移 节点 位移 节点 位移 节点 位移 1 41 1 8 1 2 5 5 6 7 l 8 1 29 1 20 3 1 8 1 68 1 2 09 1 8 1 3 2 1 4 2 1 8 1 2 5 5 68 1 8 1 28 l 20 4 1 8 1 4 7 1 21 0 1 8 1 32 1 4 3 1 8 1 2 2 5 6 9 l 8 1 32 1 20 5 1 8 1 5 4 1 211 1 8 1 01 1 4 4 1 8 1 2 2 5 7 0 1 8 1 28 1 20 6 1 8 1 1 0 1 2l 2 1 8 1 22 56 5 1 8 1 3 6 5 7l 1 8 1 27 1 20 7 1 8 1 4 3 56 6 】 8 】 3 5 57 2 】 8 】 26 】 20 8 l 8 1 4 0 由表 1 可见 ，各节点 的水平位移数值非 常接 近 ，差 别 只 出 现 在小 数 点 后 第 二 位 ，且 其 单 位 为 m i l l 。 因此， 我们得到如下结论 ： 即便在加固后的钢筋 混凝 土 梁达 到 其极 限 承 载力 时 ， 作 为最 危 险 的跨 度 正 中间 的截面 ， 平面 假设 也能 很好 的满 足 。 在此荷载作用下 ， 截面 2的软件输 出结果见表 2。 表 2 节点 位 移 节 点 位移 节 点 位 移 节 点 位 移 9 2 8 5 0 1 3 4 4 2 3 5 3 1 8 6 8 1 8 0 4 2 9 8 5 1 5 7 1 2 3 7 2 9 9 9 7 3 63 2 0 9 99 89 6 1 7 6 3 5 1 01 6 l 5 71 9 58 3 Oo01 3 79 l 8 43 8 91 6 l 5 72 6 l 0 36 l 7 6 28 7l 28 50 7 43 5 2 6 0 31 9 28 l 5 71 8 l 048 l 8 0 38 2 95 1 8 43 9 43 6 23 5 43 9 47 1 5 70 4 3 25 26 02 7 43 7 20997 9 66 l 5 7 02 从表 2的数 据 很难 看 出规 律 ， 故改 用 图 形输 出 ( 见 图 7 ) 。 图 7中画 了一 条 细 的直 线 ， 它基本 与较 粗 的节点位移 图线重合 ， 因此可直观地看 到 ， 在极限 荷载作用下 ， 截面 2也很好地保持 了平面。 1 0 图 7 距 梁右端 4 0 0 0 ra m截 面水平位移分布 ( 1 6 0 7 5 k N) 一 41一 如 ” 卯 ” 2 2 2 2 2 21 1 2 0 1 1 年第 5期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 1 期 以上是我们用肉眼直接观察到的结果 ， 下面用 定量 的 方法 ， 即线性 回归显 著性 检验 ， 来判 定 平 面 假设是 否有效 。 用 F检 验法 检验 ： 耋 ( 毫 ) = 16 2 3 3 7 1 4 2 8 6 lx i Y i - ( X i )一 6 4 2 5 n f n 、2 一 ( ) = 1 6 6 z o 4 - b一 L =-0 01 01 U=b L =1 6 6 1 8 45 Q = L 一 0 0 1 8 7 =1 48 1 - 3 7 45 以 仅 = 0 0 l 为显著水平 ， 查 F分布临界值表得 ： Fo 9 9( 1 ， n ) = 1 6 3 F=1 481 3 7 4 51 6 3 所 以，线性回归关系显著 ，即横截面保持为平 面 。 3结论 通过利用 A N S Y S对碳纤维复合材加固钢筋混 凝土梁的非线性有限元分析可知 ，无论是何种级别 的荷载， 也不管是何处截面 ， 横截面均能较好地保持 为平面 ， 因此 ， 利用平面假设所进行的受弯构件正截 面设 计是 有效 可行 的。 参考文献 ： 1 】 G B 5 0 3 6 7 2 0 0 6 混凝 土结构加固设计规范 【 S 】 北京 ： 中 国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 6 2 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 混凝 土结 构设计 规范 【 S 】 北京 ： 中国建 筑 工业 出 版社 2 0 0 2 3 中国工程建设标准化协会标准 碳纤维片材加 固混凝土结 构技术 规程【 S 北 京 ： 中国计划出版社 ， 2 0 0 3 4 】 史瑞英 赵志平 李 占巧 碳 纤维 复合材加 固T形梁的三维 设计软件开发【 J 1 混凝土与水泥制品 ， 2 0 1 0 ( 4 ) 5 】 赵志平利用 A N S Y S对碳纤维布加 固 R C梁 的非线性 有 限元分析l J 1 四川建筑科学研究 ， 2 0 o 6 ( 1 ) 6 】 赵志平 钢筋混 凝土梁抗弯 性能 的数值模 拟 J 力学与 实 践 ， 2 0 0 7 ( 3 ) 7 赵志平 碳纤 维布加 固钢筋 混凝土梁二 次受力时 的非线 性有 限元研究 J 四J I I 建筑科学研究 ， 2 0 0 7 ( 1 ) 【 8 赵志平 钢筋 混凝 土梁抗弯性能 的全 仿真模拟【 J 】 四川建 筑科学研究 ， 2 0 0 7 ( 3 ) 9 】 孙荣恒 ， 黄雯莹， 等 数理统计【 M】 重庆 ： 重庆大学 出版社 ， 1 9 9 9 收 稿 日期 ： 2 01 1 0 3 - 2 4 作者简 介： 史瑞 英( 1 9 7 6 一 ) ， 女 ， 讲 师。 通讯地址： 石家庄 ， 河北工业职业技术学院建筑工程 系 联 系 电 话 ： 1 3 8 3 2 1 7 3 6 2 4 E -ma i l ： r u iy i n g 1 9 7 61 2 6 c o m 征 订 启 事 2 0 1 1 年度邮局报刊征订 工作 已经结束 ，凡 未能 在当 地邮局订 到本刊 的读者 ，可 直接从 邮局汇款 到本刊读者 服务部办理 邮购手续。2 0 1 1 年全年定价 9 6元。另外 ， 本 部有售下列资料 ： 1 混凝土与水泥制品) 1 9 9 9年合订本 6 0元 2 混凝土与水泥制品) 2 0 0 2年合订本 6 0元 3 混凝土与水泥制品) 2 0 0 3年合订本 6 5元 4 混凝土与水泥制品) 2 0 0 4年合订本 6 5元 5 混凝土与水泥制品) 2 0 0 6年合订本 7 0元 6 混凝土与水泥制品) 2 0 0 7年合订本 7 0元 7 混凝土与水泥制品) 2 o o 8年合订本 7 0元 8 混凝土与水泥制品) 2 0 0 9年合订本 7 0元 9 混凝土与水泥制品) 2 0 1 0年合订本 7 0元 1 0 2 0 0 2年 混凝土与水泥制 品 增刊 5 0元 一 42 1 1 2 0 0 4年 混凝土与水泥制品 增刊4 5元 1 2 2 0 o 6年 混凝土与水泥制品 增刊 5 0元 1 3 2 0 o 8年 混凝土与水泥制品 增刊 5 0元 1 4 2 0 1 0年 混凝土与水泥制品 增刊 5 0元 1 5 建筑材料标准汇编( 水泥制品 2 0 o 4 ) 2 2 0元 以上价 格已含普通 印刷 品邮费 ，如需挂号或特快 ， 请加付邮资。汇单上请注明所购资料名称及收件人详细 地址、 邮政编码 。 汇款地址 ：江苏省苏州市三香路 7 1 8号 邮政 编 码 ： 2 1 5 0 0 4 收款单位 ： 混凝土与水泥制品 杂志社 电 话 ：O5 1 2 6 8 2 85 71 6 0 5 1 2 6 8 2 8 5 7 9 3( 兼传真 )