钢与碳纤维加固的三维有限元数值模拟对比
厚 8 mm。加固示意图与图 3 相似。 4 . 5 m， （3）主梁加固 主梁中跨跨中与支座处也均拟采用粘钢加固。 在跨中下部粘贴的钢板， 宽 400 mm， 长 4 . 5 m， 厚8 mm。加固示意图与图 4 相似。 3.2 采用外部贴碳纤维材料加固 《碳纤维片材加固修复混凝土结构技 3 . l . l 根据 术规程》 CECS l46： 2003 . 采用外部贴碳纤维材料加 固的钢筋混凝土梁、 板， 可参考矩形截面受弯构件 的受拉面上粘贴碳纤维片材进行受弯加固时， 其正 截面受弯承载力应按下列公式计算： （l） 当混凝土受压区高度 x >!cfb h 时 x M ! f c bx h 0 + f" y a"（ s h 0 - a" ） 2 （ h - h0 ） （3） + Ecf "cf acf
一典型两层地下室的计算弯矩和极限弯矩 位置 顶 板 次 顶层 梁 主 梁 顶 板 次 二层 梁 主 梁 （单位： KN. m）计算弯矩 中跨 跨中 支座 跨中 支座 跨中 支座 跨中 支座 跨中 支座 跨中 支座 12 . 78 - 12 . 78 815 . 7 - 815 . 71 1257 . 9 - 2164 . 5 25 . 06 - 25 . 06 934 . 1 - 934 . 19 1507 . 7 - 1390 . 7 边跨 22 . 86 - 17 . 97 1186 . 5 - 1186 . 5 3263 . 7 - 3241 . 0 36 . 45 - 28 . 64 1358 . 8 - 1358 . 8 2196 . 5 - 2092 . 5 32 . 13 32 . 13 899 . 26 - 938 . 02 897 . 57 - 1702 . 3 30 . 73 30 . 73 640 . 12 - 612 . 34 651 . 83 - 689 . 40 极限弯矩 表1
!
收稿日期： （修改稿） 2004-10-19 作者简介： 吴志平 （1968-） ， 男， 同济大学地下建筑与工程系博士生。
地 下 空 间 第 24 卷 738 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "
第 24 卷 第 5 期 2004 年 12 月
地 下 空 间 UNDERGROUND SPACE
VoI. 24 No. 5 Dce. 2004
" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 文章编号： （2004） 1001-831X 05-0737-04
板厚为 150 mm， 次梁尺寸为 400mm X 750mm， mm， 主梁尺寸为 400mm X 800 mm， 平面布置分别如图 1 、 图 2 所示。
— —弯矩设计值； — —系数， 由规范取 式中： M— !1 — — —混 凝 土 轴 心 抗 压 强 度 设 计 值； 取 1 . 0； as ， fc — — —受拉区、 受压区纵向普通钢筋的截面面积； a* s — — —矩形截面的宽度； — —截面的有效高度； J— h0 — — —普通钢筋的 — —混凝土的受压高度； f* y — X— fy ， — —受拉筋、 受压筋 抗拉、 抗压强度设计值； *s— !s ， ! 合力作用点到受拉边缘、 受压边缘的距离。 3 . 1 . 1 顶层加固 （1）次梁加固 拟采用粘钢加固边跨梁， 钢材选用 16Mn 钢。 对边跨跨中， 拟在下部粘贴钢板， 对边跨支座， 则拟 在支座上部粘贴钢板， 如图 3 所示。由计算确定的 粘钢的设计参数为： 次梁跨中下部粘钢宽 400mm， 长 5m， 厚 4mm； 上部支座处粘钢宽 400mm， 长 3m， 厚 4mm。
2
2.1
一典型两层地下室的加固
问题的提出 一典型两层地下室， 结构类型为单向板肋形楼
盖， 柱网尺寸为 7000mm X 8150mm， 顶板单向板平 面尺寸为 2333mm X 8150 mm， 板厚为 200 mm， 次梁 尺寸为 400mm X 700 mm， 主梁尺寸为 500mm X 800 二层楼板单向板平面尺寸为 3500mm X 8150 mm；
钢与碳纤维加固的三维有限元数值模拟对比
吴志平 ，杨林德
（同济大学地下建筑与工程系， 上海 摘 200092）
!
对一典型二层地下室分别采用粘钢和碳 要： 通过采用 ANSYS 大型有限元分析软件，
纤维 （ cfrp） 加固进行数值模拟对比分析， 得出结论： 在对普通大楼地下室人防转换过程中， 采用 粘钢技术和碳纤维材料加固均可以提高结构的抗力， 但采用碳纤维材料加固的效果优于采用 粘钢技术的加固效果 关键词： 地下室；粘钢；碳纤维；加固 中图分类号： TU93 + 3 文献标识码： B
WU Zhi-ping ，Yang Lin-Deቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（ Department of Geotechnical Engineering ，Tongji Uniuersity ，Shanghai 200092，China） Abstract：In this paper，three - dimensionaI FEM is adapted to a basement strengthened by steeI pIates and by carbon fiber reinforced pIastic. And the nonIinear performance of RC structure with bonding steeI pIate and with the carbon fiber reinforced pIastic was compared. The resuIts show that in the course of functionaI transformation of a common basement ，the technoIogy of strengthening by bonding steeI pIates and strengthened by carbon fiber reinforced pIastic aII can enhance the resisting abiIity of RC structure. However，the strengthening effect of the RC structure strengthened by carbon fiber reinforced pIastic is better than that of strengthening by bonding steeI pIates Keywords：basement；steeI reinforced pIates；carbon fiber reinforced pIastic；strengthen
1
引言
地下空间有着多方面的价值， 而其战备价值是
术加固地下工事的数值模拟对比分析未见报导， 以 上情况表明对粘钢加固和碳纤维材料加固地下工 事对比分析不仅非常必要， 而且极有价值。
其中较为突出的一个方面， 大楼地下室也不例外。 如何快速加固普通地下室主体结构， 提高其防御能 力， 使其能在较短时间内就达到战时防护要求， 发 挥其最大的战备价值， 对人防工程建设具有重要意 义。粘钢加固技术和碳纤维加固技术用于静载结 构加固时显示的快速、 高强、 少占建筑空间和施工 方便灵活等优点， 对承受冲击动载作用的结构构件 的加固也有很大的吸引力， 目前对粘钢和碳纤维技
图3
顶层次梁加固方案示意图
图 4 顶层主梁加固方案示意图 （单位： cm）
（2）主梁加固 !"! 理论分析 由此可见顶层次梁边跨跨中和支座及各跨跨 中和支座均不满足强度要求， 地下二层楼板边跨跨 中和支座及主梁、 次梁各跨跨中和支座也不满足强 度要求。须进行结构加固。 主梁各跨跨中与支座处均拟采用粘钢予以加 固， 如图 4 所示。由计算确定的粘钢的设计参数 为： 在跨中下部粘贴的钢板， 宽 500 mm， 长 6 . 4 m， 厚 4 mm； 在支座上部粘贴的钢板， 宽 500 mm， 长4 . 5 厚 5 mm。 m， 3 . 1 . 2 二层加固 （1）楼板加固 拟采用粘钢加固边跨板， 钢材选用 16Mn 钢。 厚 4 mm； 每一边跨的粘贴面积为 4 . 08 X 3 = 12 . 24 m2 。 （2）次梁加固 次梁跨中与支座处均拟采用粘钢加固。在次 梁中跨跨中下部粘贴的钢板， 宽 400 mm， 长 6 . 5 m， 厚 6 mm； 在支座上部粘贴的钢板， 宽 400 mm， 长6 . 4 厚 8 mm； 在支座上部粘贴的钢板， 宽 400 mm， 长 m，
碳纤维布加固复合受力钢筋混凝土箱梁抗扭性能的非线性有限元分析
第23卷增刊I V ol. 23 Sup. I 工程力学2006年 6 月 June 2006 ENGINEERING MECHANICS 122 文章编号：1000-4750(2006)Sup.I-0122-06碳纤维布加固复合受力钢筋混凝土箱梁抗扭性能的非线性有限元分析*李忠献，张媛，景萌(天津大学建筑工程学院，天津 300072)摘要：采用有限元方法对碳纤维布加固钢筋混凝土构件进行非线性分析，是对有限的试验研究的有效补充和进一步深入探讨。
根据4根碳纤维布加固钢筋混凝土箱梁的试验研究结果，建立了合理的三维有限元模型，对碳纤维布加固钢筋混凝土箱梁在弯剪扭复合受力下的抗扭性能进行了非线性有限元分析。
计算得到的扭矩－扭转角关系曲线、钢筋和碳纤维布的应变曲线以及界面粘接单元的恢复力曲线等与试验结果吻合较好，可以较好地模拟碳纤维布加固箱梁的受扭性能。
进一步通过对7根数值梁的计算结果分析，提出碳纤维布加固钢筋混凝土箱梁在复合受力下的剪扭相关性符合直线方程。
关键词：钢筋混凝土；箱梁；抗扭性能；加固；碳纤维；非线性有限元分析中图分类号：TU311; U448.34; TU375.1 文献标识码：ANONLINEAR FINITE ELEMENT ANALYSIS ON TORSIONALBEHAVIORS OF FRP STRENGTHENED RC BOX BEAMS UNDERCOMBINED LOADINGSLI Zhong-xian, ZHANG Yuan, JING Meng(School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)Abstract: Based on experimental results of four reinforced concrete box beams strengthened with fiber reinforced polymer (FRP), a 3-D finite element model was established and the nonlinear finite element method was used to study the torsional behaviors of FRP strengthened reinforced concrete box beams under combined loadings of bending moment, shear and torque. The numerical results of torque-twist angle relationships, strains in steel bars and FRP, forces of interfacial element showed good agreement with the experimental results. This indicates that the nonlinear finite element method can simulate the torsional behavior of FRP strengthened box beams. Further investigation was conducted with respect to the shear-torque behavior of FRP strengthened reinforced concrete box beam. The calculated results of seven numerical box beams indicated that dimensionless correlation of shear and torque strength of FRP strengthened RC box beams under combined bending, shear and torque was linear.Key words: reinforced concrete；box beam；torsional behavior；strengthening；fiber reinforced polymer；nonlinear finite element analysis—————————————————收稿日期：2005-12-08；修改日期：2006-04-01基金项目：国家杰出青年科学基金(50425824)作者简介：*李忠献(1961)，男，安徽枞阳人，教授，博士，博导，主要从事工程结构抗震防灾，减震控制与健康监测等研究(E-mail: zxli@)；张 媛(1980)，女，山东东营人，博士生，主要从事大型结构振动分析与健康监测研究；工程力学 123 近年来，纤维增强材料(FRP)固混凝土结构进行了模拟和分析[1,2]。
二次受力下CFRP加固钢筋混凝土梁有限元分析
Ｅ ］ Ｇ ０ １ － ２０ ， ｓ Ｂ ５ ０ ０ ０ ２混凝土结构设计规范［ ］ ｓ． ［ ］ Ｃ Ｃ ５ ９ ， ９ Ｅ Ｓ２ ：０混凝土结构加 固技术规范［ ］ Ｓ． ＇ ］ １ ０ ＣＥ Ｓ１ ６ ２ ０ ， 纤维 片材 加 固修复 混凝 土结 构技 术规 程 １ Ｃ ４ ：０ ３ 碳 ［］ ｓ． ， ］ １ １ 东南大学 ， １ 同济大 学 ， 天津 大学． 凝土结 构［ ．北京 ： 混 Ｍ］ 中国 建筑工业 出版社 ，０ ２ ２０． ［ ２ 张芳 芳． 通 和预应 力 Ｆ １］ 普 ＲＰ加 固梁 的数值 模 拟与 理论 分析
（ ）钢 筋 。钢筋 的应 力 应 变 关 系 曲线 如 图 ３所 ２ 示 ， 理想 弹塑性 材料 ， 为 不考 虑应力 强化 阶段 ， Ａｎ 在 — ｓｓ ｙ 中采用 双线 性 随动强化模 型来 定义 。
图 ５ １４试 验 梁 有 限元 模 型 ／
３ 有 限元计算结果 分析及 比对
大， 在取 消外 力后 变 形 随 时 间 的增 长 而 逐 渐 恢 复 ， 且
一
社 ， ９ ３ １９ ．
Ｃ ］ 申爱琴 ， ２ 王
娜， 李明国 ， 高速公路 Ｓ 等． ＭＡ混合料 高温稳定性
部 分 变形会 永 久保 持 。
（ ）通 过优 化级 配 ， ３ 显示 较粗 级 配对 沥 青混 合 料
图 ｌ 试 验 梁 配 筋 不 葸 图 （ 位 ｍｍ ） 单
１ ２ 试验 方法 概述 ＿
本 试验 所有 试验 梁均 采用两 点静 力加 载 ， 加载 方 案采 用分级 加 荷 的方 式 ，在 纵 向主 筋应 变 接 近 其 屈 服应 变 时 ，适 当 增 加 荷 载 级 别 以 确 定 屈 服荷 载 。４ 根 试 验梁 的加 载方法 如表 ２所列 。
预应力碳纤维布加固钢梁受弯性能有限元分析论文
预应力碳纤维布加固钢梁受弯性能有限元分析【摘要】本文基于通用有限元软件ansys，对预应力cfrp布加固钢梁在外荷载作用下的受弯性能进行了有限元分析，并与末加固钢梁、普通碳纤维布加固钢梁等进行了比较。
通过改变相关参数，得出加固效果随预应力大小、碳纤维布层数等的变化规律。
【关键词】预应力碳纤维布;加固;钢梁0.引言本文在国内外学者已经取得的研究成果基础之上，基于通用有限元软件ansys，对预应力碳纤维加固钢梁的受弯性能进行了计算分析，以比较预应力碳纤维布与末加固钢梁、普通碳纤维布加固钢梁受弯性能方面的差异，研究碳纤维布的初始应力等级、粘贴长度、与粘贴层数对加固效果的影响。
1.试验设计1.1 试件设计1.2 有限元模型建立本文采用ansys软件，对加固钢梁进行非线性有限元分析，分析中假定钢梁、胶体与碳纤维布之间完全粘结。
其中钢梁采用solid45单元，模拟钢梁的塑性变形；胶体采用combin39单元，模拟碳纤维布与钢梁之间的粘结性能；碳纤维布采用shell63单元，模拟其受弯性能[7]。
跨中两个集中力加载点在模型中用平面尺寸为80mm×30mm×15mm的加载板代替，在施加荷载时也随之将集中力等效为作用于加载板上的均布面荷载。
2.数据分析2.1施加预应力的效果对于sb-1梁，在加载到屈服荷载之前，跨中最大挠度呈线性增长。
当加载到100kn时，梁开始出现塑性，试验梁挠度不断增大，其极限强度约为160kn，与计算值相近。
本文近似认为碳纤维布加固钢梁的受弯承载力的极限状态标志为[5]：（1）跨中最大挠度达到跨度的1/200。
（2）碳纤维布达到其极限抗拉强度。
对于sb-2梁，在加载到140kn前，梁末屈服。
由于荷载等级取的较小，sb-2与sb-1梁跨中挠度相差很小。
之后，钢梁开始出现塑性，碳纤维布仍处于弹性阶段，承受的荷载变大，挠度进一步增加，但速度相对放缓，其极限强度约为165kn，相应极限承载力提高约3.1%。
碳纤维布加固薄壁圆钢管轴心抗拉承载力有限元分析
型高强度 螺栓连 接 的 方式 得 以实 现 ， 由此 带 来 的焊 接 残余应 力 、 面削 弱 、 截 自重增加 等 问题 对加 固效果
产 生 了不 利影 响． 碳纤 维 增 强 复合 材料 Ｃ Ｒ （ ａ— Ｆ Ｐ Ｃ ｒ ｂ ｎＦｂ ｒＲ ｉｆｒｅ ｏｙ ｒＣ Ｒ ） ｏ ｉｅ ｅｎｏｃｄ Ｐ ｌｍｅ ， Ｆ Ｐ 由环 氧 树 脂
耐久 性． 江克斌 等 ［］ １将传 统 预应 力技 术与 Ｃ Ｒ ０ Ｆ Ｐ加
固技 术 相 结 合 ， 绍 了一 种 预 应 力 Ｃ ＲＰ加 固方 介 Ｆ 法． 预应 力 Ｃ Ｒ Ｆ Ｐ技 术 就是 在 应 用 Ｃ Ｒ Ｆ Ｐ对 钢 结构 进行 加 固时 ， 先 对 Ｃ Ｒ 首 Ｆ Ｐ拉 伸 ， 后 将 拉 伸 状 态 然
第２ ４卷
第 １ 期
甘 肃 科 学 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｎ ｕＳ ｉ ｃ ｓ ｏ ｒ ａ ｓ ｃｅ ｅ ｏ Ｇａ ｎ
Ｖｏ ． ４ Ｎｏ １２ ．１
Ｍ ａ ． ０１ ２ ２ ｒ
２１ ０ ２年 ３月
碳 纤 维布 加 固薄 壁 圆钢 管 轴 心 抗拉 承 载 力有 限元分 析
中图分 类号 ： Ｔ ７ Ｕ３ ５ 文献标 志码 ： Ａ 文章编 号 ：０ ４Ｏ ６ （ Ｏ ２ ０ —０ ２０ １ ０ 一３ ６ ２ １ ） １０ ３ —５
Ｆｉ ｔ ｅ ｅ ｎｉｅ Ｅｌｍ ｎｔＡｎａ ｙ ｉ ｎ Ａｘ ａ ｎ ｉｅ Ｂｅ ｒ ｎｇ Ｃａ ｃ ｔ ｆ ｌ ｓｓ ｏ ｉ ｌＴｅ ｓ ｌ ａ ｉ ｐａ ｉｙ ｏ
（ ｃ ｏｌ ｆＣ ｖｌ ｎ ｉｅｒｎ Ｌ ｎｈ ｕＵ ｉｅｓ ｙｏ ｃｅｃ ｎ ｅｈ ｏｏ ｙ， ａ ｚｏ ３ ０ ０ Ｃ ｉ ） Ｓ ｈ ｏ ｏ ｉｉ Ｅ ｇｎｅｉｇ， ａ ｚ ｏ ｎｖｒｉ ｆＳ ｉｎｅａ ｄ Ｔ ｃｎ ｌｇ Ｌ ｎ ｈｕ７ ０ ５ ，ｈｎ ｔ ａ
【技术】粘贴钢板和粘贴碳纤维对比及其在桥梁加固中实际应用
【技术】粘贴钢板和粘贴碳纤维对比及其在桥梁加固中实际应用粘贴钢板和粘贴碳纤维是桥梁加固中常用的两种被动加固方法，都是采用环氧树脂或建筑结构胶，将加固材料直接粘贴在被加固的钢筋混凝土结构物的受拉或抗剪薄弱部位，使之与结构物形成整体共同受力，以提高结构的承载力或刚度，改善受力状态，限值裂缝的开展。
两种加固方法在材料性能、受力状态、计算原理、加固效果等方面均存在不同，因此两者有不同的适用范围，在实际工程中我们应加深认识，区别应用，使两种方法尽量发挥各自优势，物尽其用，达到最佳的加固效果。
研究资料表明，粘贴碳纤维加固钢筋混凝土梁，钢筋屈服后，受拉区碳纤维不一定达到极限拉应变而破坏；而粘贴钢板加固钢筋混凝土梁发生适筋梁破坏时，受拉钢筋和钢板屈服，受压区混凝土达到极限压应变。
在常用的粘贴范围内，粘贴4-8mm钢板对梁的承载力和刚度提高效果都优于粘贴2-3层碳纤维布，粘贴碳纤维布加固没有发挥材料的高强度作用，对构件受压区混凝土、受拉区钢筋拉应力改善不明显。
粘贴碳纤维布适用于构件抗裂加固；粘贴钢板加固适用于提高梁的承载力和整体刚度。
基于上述认识，本文通过实际工程，对桥梁不同构件不同缺损状况加以计算分析和探讨，对症施治，分别采用两种方法进行加固，希望对同类工程提供参考和借鉴。
1. 工程概况1.1 桥梁基本资料G307国道献县境内滏阳新河大桥上部结构采用13×16m装配式普通钢筋混凝土简支空心板，下部结构为双柱式墩台，钻孔灌注桩基础，桥梁全长224m，设计交角135°，桥梁宽度：0.5m护栏+净11.5m+0.5m护栏，桥梁全宽12.5m；设计荷载：汽-20级，挂车-100。
经桥梁检测中心和养护管理单位检测评定，该桥总体技术状况等级评定为三类。
1.2 桥梁主要缺损状况1.3缺损原因分析1、G307公路交通量大，使得桥梁技术状况下降、适应度不足。
2、空心板底局部裂缝为非结构裂缝，是由于空心板底未设置通气孔，致使养护积水和桥面积水渗漏进入孔洞内无法排出，积水处混凝土发生集料反应，加之冻融作用，形成网状裂缝并伴有泛白现象。
CFRP加固钢梁的有限元分析
D ) 1 2 3加固钢梁的 %&’ (’算例
本 文采用笔者提出的c 三 维 实 体F 弹 簧F 壳 元d 有 限 元 模 型$ 即钢梁或混凝土板采用实体单元 胶层采用弹簧单元 对完好钢梁 7 损伤钢梁 7 完好组合 0 ^ $ / 0 $ T 4板壳单元 $ ’ * < B ) * +, . ) 1 2 3采用 ’ @ ; < < 万方数据 梁和损伤组合梁粘贴 ) 厚度为 e 和) 厚度为 D 加固前 7 后的性能进行了 ! ^++6 # e++6 1 2 3布 5 1 2 3板 5
V
钢结构由于强度高 P 塑性和韧性好 J 在工程结构中的应用非常广泛 2 钢结构中存在大量的受弯构件 J 由于 腐 蚀或疲劳 J 这些 受弯 钢梁下翼 缘 往 往 会 发 生 不 同 程 度 的 损 伤 J 严重影响了钢梁的刚度和承载能 但这种加固方法增加了结构重量 P 焊接缺陷对疲劳敏感 2 纤维增强复合材料由于具有优异的物理力学性 能J 已广泛应用于土木工程结构的加固和修复中 2 近年来 J 国内外 对纤 维增强 复合材 料 ’ 加固 混凝 ( E H I 但是对 E 国外 对这 土结构进行了大量的研究和广泛的应用 J H I加固 钢结构 的研究 和应用 则相 对较少 2 W # R ! X 一领域的研究主要集中于试验研究 而国 内 对 该领 域的 研究则 起步 较晚 J 国家工 业建 筑诊断 与改造 J 工程技术研究中心率先于 $ 并已取 % % %年开始对这种新的钢结构加固技术进行了较为系统的试验研究 J W N R & X 得了部分研究成果 2 本 文对粘贴碳纤维增强复合材料 ’ 加固钢梁和组合梁有限元分析的几个关键问题进行 了分 ( G E H I 析J 并利用有限元软件 5<@ 采用笔者提出的 Q 三维实体 R 弹簧 R 壳元 S 有限元模型分析了完好钢梁 P 损 J Y@ 伤钢梁P 完好组 合梁和 损伤组合梁 粘 贴 G 后 刚 度P 屈 服 荷 载 和 承 载 能 力 的 变 化2 分析结果 E H I加 固 前 P 表明J 钢梁和组 合梁采 用 G 对于损伤钢梁和组合梁粘贴 E H I布和 G E H I板 加 固后 其性 能均 有所 提 高 J G E H I板的加固效果则更加明显 2
碳纤维增强复合材料力学性能的有限元模拟分析
碳纤维增强复合材料力学性能的有限元模拟分析引言：碳纤维增强复合材料是一种重要的结构材料，具有高强度、低密度和优异的耐腐蚀性能。
为了更好地理解和预测这种材料的力学性能，有限元模拟成为一种有效的工具。
本文将探讨碳纤维增强复合材料的力学性能及其有限元模拟分析方法。
1. 碳纤维增强复合材料的力学性能碳纤维增强复合材料由碳纤维和基体材料组成，具有独特的力学性能。
首先，碳纤维的高强度和高模量使得复合材料具有出色的抗拉强度和刚度。
其次，由于碳纤维和基体的界面结合紧密，复合材料还表现出较好的层间剪切性能。
此外，碳纤维增强复合材料的疲劳强度和耐冲击性也远远优于传统金属材料。
2. 有限元模拟在力学性能分析中的应用有限元模拟是一种计算方法，通过将复杂结构离散为数学模型，基于力学原理求解结构的应力和变形分布。
在碳纤维增强复合材料力学性能分析中，有限元模拟被广泛应用。
首先，可以通过有限元模拟研究复合材料在静力载荷下的应力分布和应变响应，从而评估其强度和刚度。
其次，有限元模拟还可以模拟在动力载荷下复合材料的疲劳寿命和冲击行为，并优化复合材料的设计和性能。
3. 有限元模拟参数的选择在进行碳纤维增强复合材料力学性能的有限元模拟时，需要选择合适的模拟参数。
首先，应选择适当的网格划分，以保证模型几何形状和表面质量的准确性。
其次，需要确定材料的力学性能参数，如弹性模量、剪切模量和层间剪切强度等。
对于复合材料的层间剪切强度，通常需要进行微观结构分析以获取准确的数值。
此外，外界加载条件（如温度、湿度等）也需要考虑进来以获得可靠的模拟结果。
4. 有限元模拟分析的挑战和进展尽管有限元模拟在碳纤维增强复合材料力学性能分析中具有重要的应用前景，但仍面临一些挑战。
首先，材料的非线性和各向异性使得模拟计算的复杂度增加。
其次，复合材料的失效机制与金属材料有所不同，需要改进模型和算法以准确地预测结构破坏行为。
此外，对于复合材料的疲劳和寿命预测，还需要开展更多的试验和验证以提高模拟的准确性。
碳纤维复合材料加固混凝土板的有限元计算与分析
２２碳纤维复合材料加固混凝土板的有限元计算与分析２０１０年３月碳纤维复合材料加固混凝土板的有限元计算与分析殷波（扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州２２５００９）摘要：建筑工程中广泛采用混凝土板，而对大面积板采用碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）对混凝土结构进行加固补强是一项先进的技术。
本文介绍了碳纤维布材料的性能及碳纤维加固技术的主要功能、特点，并用ＡＮＳＹＳ有限元软件进行了计算分析。
关键词：碳纤维复合材料；加固；混凝土板；ＡＮＳＹＳ；有限元中图分类号：ＴＱ３４２文献标识码：Ａ文章编号：１００３一０９９９（２０１０）０２—００２２—０３１引言在建筑工程中，混凝土结构占有很大的数量。
目前相当多的住宅、别墅、商务等建设用房采用大开间以增加使用面积的结构越来越多。
而大开问的使用则使混凝土板的跨度增大，板的面积增加。
传统方法是相应增加混凝土板的厚度。
由于板厚的增加，使得结构自重也相应增加且建筑物的净高会减小，从而使建筑物的使用受到影响。
另外由于设计、施工造成的问题，如配筋不足、混凝土强度低等，会使结构的承载能力和耐久性能降低，不能满足原设计要求，有的甚至危及结构的安全，这些结构都亟待进行修复加固。
通过对混凝土结构进行补强加固，达到提高结构或构件的抗弯、抗剪、抗拉、抗裂的能力以及抗震、抗腐蚀能力，从而恢复或提高原有结构的承载力。
对混凝土结构补强加固的方法有增大截面法、粘钢法等，这些方法各有利弊。
近几年来采用碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）对钢筋混凝土结构构件进行加强的新技术，在国际上深受重视并已获得较多的应用和发展。
２碳纤维的性能和特点碳纤维是目前建筑结构中使用量最大的高性能纤维。
碳纤维是纤维状碳材料，由含碳量高的有机纤维在保护气氛和施加张力牵引下，通过热处理碳化成为含碳量９０％以上的纤维…。
２．１碳纤维的主要性能（１）力学性能碳纤维具有高强度（抗拉强度相当于一般钢材的１０余倍）、高弹模、密度小、延伸率小等特性，可充分利用其优异的力学性能，有效提高混凝土结构的承载力、延性、抗裂性能。
CFRP加固钢筋混凝土柱承载力模拟分析
d o i :10.3963/j .i s s n .1674-6066.2024.01.022C F R P 加固钢筋混凝土柱承载力模拟分析李路彬(中国建筑设计研究院有限公司,北京100032)摘 要: 为探究碳纤维复合材料(c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d p o l ym e r ,C F R P )加固混凝土柱的承载能力,通过测量混凝土抗压强度㊁钢筋应力-应变关系及加固混凝土的黏结应力,得到了加固混凝土柱的轴压承载力计算值和模拟值㊂C F R P 布加固的钢筋混凝土柱的荷载-位移曲线趋势与非加固柱相近,C F R P 布加固柱的承载力较非加固柱的承载力提高了112.8%,加固试件的黏结强度增大了108.9%㊂关键词: C F R P ; 应力-应变关系; 耐久性D e s i g na n dA n a l y s i sM e t h o do f S t r e n g t h e n i n g R e i n f o r c e d C o n c r e t e S t r u c t u r e sL IL u -b i n(C h i n aA r c h i t e c t u r eD e s i g n &R e s e a r c hG r o u p ,B e i j i n g 100032,C h i n a )A b s t r a c t : T o i n v e s t i g a t e t h eb e a r i n g c a p a c i t y o f c a r b o nf i b e r r e i n f o r c e d p o l y m e r (C F R P )r e i n f o r c e dc o n c r e t ec o l -u m n s ,t h e c a l c u l a t e d a n d s i m u l a t e d v a l u e s o f a x i a l c o m p r e s s i v e c a p a c i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u m n sw e r e o b t a i n e d b y m e a s u r i n g t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t ho f c o n c r e t e ,t h e s t r e s s -s t r a i nr e l a t i o n s h i p o f r e b a r a n d t h eb o n d i n g s t r e s so f r e i n -f o r c e d c o n c r e t e .T h e l o a d -d i s p l a c e m e n t c u r v e t r e n d o f t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u m n r e i n f o r c e db y C F R Ps h e e t i s s i m i -l a r t o t h a t o f t h en o n -r e i n f o r c e dc o l u m n .T h eb e a r i n g c a p a c i t y o f t h er e i n f o r c e dc o n c r e t ec o l u m nr e i n f o r c e db y C F R P s h e e t i s 112.8%h i g h e r t h a n t h a t o f t h en o n -r e i n f o r c e d c o l u m n ,a n d t h e b o n d s t r e n g t ho f t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i -m e n i s 108.9%h i g h e r .K e y w o r d s : c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d p o l y m e r ; s t r e s s -s t r a i n r e l a t i o n s h i p ; d u r a b i l i t y 收稿日期:2023-09-13.作者简介:李路彬(1981-),高级工程师.E -m a i l :l l b 753@163.c o m混凝土结构在现代建筑中应用广泛而普遍,结构在服役过程中随时间推移和外界影响因素的侵蚀,结构会出现开裂㊁变形和强度损失等问题㊂为保证结构服役期内的使用安全性,混凝土加固设计成为一项重要任务㊂长期荷载和外部侵蚀对结构的材料性能影响显著,混凝土结构可能出现裂缝㊁变形和强度下降等问题,这些问题对结构的稳定性和安全性构成威胁㊂通过加固设计,可以修复和强化受损的混凝土结构,延长其使用寿命,降低维护成本,并确保人们的生命财产安全㊂李鹏鹏[1]进行了C F R P 布加固砌体结构的抗压强度试验,同时分析了粘贴2层和3层C F R P 布对砌体抗压承载力的增强效果,并对加固结构的裂缝形态㊁破坏模式和加固原理进行总结,研究发现粘贴C F R P 布的加固方式可提高混凝土结构的承载能力和抗震性能㊂通过不同的加固材料和加固技术可提高结构的承载能力及刚度,抗震性能显著提升,从而减少地震荷载激励对结构的危害[2-4]㊂加固设计可以修复和加固老化和受损的混凝土结构,避免结构失效和意外事故的发生㊂程东辉等[5]对3组翼缘与腹板转角处C F R P 布锚固的钢筋混凝土柱进行轴心受压试验,得到了试件的极限荷载㊁轴向变形及破坏模式,提出了C F R P 约束下钢筋混凝土柱极限承载力的计算公式㊂在混凝土加固设计的研究方法方面,需要对混凝土结构进行全面的检测和评估,包括结构的承载能力㊁裂缝情况㊁变形程度等[6]㊂其次,根据结构的具体情况和问题,选择合适的加固材料和技术,如碳纤维增强聚建材世界 2024年 第45卷 第1期合物(C F R P )片材加固㊁钢板加固等[7]㊂最后进行加固设计计算和分析,确定加固材料的数量和布置方式,进行施工过程的监控和质量控制,确保加固效果符合设计要求[8]㊂混凝土加固设计对于保障混凝土结构的安全性和使用寿命具有重要意义㊂论文主要分析粘贴碳纤维布的加固方法,阐述了加固前后的措施及效果㊂1 模型建立以钢筋混凝土加固柱为实例进行建模分析,所取厂房主体结构形式为混凝土框架结构,对易损混凝土柱进行粘贴C F R P 的方式进行加固,加固柱后改造部位设计使用年限为30年㊂加固改造部位为框架结构,基本风压为0.60k N /m 2,基本雪压为0.20k N /m 2,抗震设防烈度为6ʎ,地震分组为第一组,基本地震加速度为0.05g ㊂对承载力不足的混凝土框架柱进行粘贴C F R P 布进行加固;新增梁板与原有梁板柱采用化学植筋法连接㊂需加固混凝土柱在平面布置图中位置示意如图1(a )所示,采用C F R P 布加固的混凝土柱建模流程如图1(b )所示㊂混凝土和钢筋均采用C 3D 8R 模型单元,钢筋的受拉本构关系采用弹塑性的双直线模型,钢筋的受压本构关系采用完全理想弹塑性的双折线模型,混凝土本构关系采用塑性损伤模型㊂C F R P 的本构关系采用应力-应变关系表达式㊂共模拟了两种尺寸的混凝土柱,其中8根C F R P 加固柱和4根普通混凝土柱㊂2 项目检测与承载力计算2.1 混凝土抗压强度通过对实际混凝土柱的抗压强度进行钻孔取样,然后分别进行重新养护后再进行混凝土抗压强度试验,混凝土取芯示意如图2(a )所示,结构材料强度检测结构见表1㊂为准确对比粘贴C F R P 对混凝土抗压强度的影响,采用混凝土碳化深度测量仪分别对粘贴C F R P 和不粘贴C F R P 的抗压强度试件进行碳化深度测量,混凝土碳化深度测量完毕后,应选择测区内部平均测量碳化深度值对混凝土材料强度进行修正㊂最后对两组圆柱体试件进行抗压强度试验,测得的粘贴C F R P 和不粘贴C F R P 的试件抗压强度变化趋势如图2(b)所示㊂不同养护时间对应的混凝土抗压强度值可由式(1)计算得到㊂f c u (t )=f c u (28)㊃t 2.21+0.91æèçöø÷t (1)式中,t 为试件养护时间(d );f c u (t )和f c u (28)分别为养护t d 和28d 时的混凝土抗压强度值(M P a )㊂建材世界 2024年 第45卷 第1期表1 结构材料强度检测构件位置混凝土抗压强度/M P a 碳化深度/mm 垂直度判定结果普通柱3/G 柱30.71.1满足规范要求加固柱3/L 柱31.41.0满足规范要求普通柱4/B 柱29.51.2满足规范要求加固柱6/B 柱33.80.9满足规范要求采用浓度为1%的酚酞酒精溶液测试该结构混凝土构件的碳化深度,结果表明C F R P 加固混凝土柱的碳化深度小于普通混凝土柱的碳化深度㊂普通混凝土柱的碳化深度大于1.0mm ,而C F R P 加固柱的碳化深度小于1.0mm ㊂钢筋混凝土柱应力集中显著的区域位于柱中区域,在加固混凝土柱的同时增设混凝土梁和板,新增梁板与原有梁板柱采用化学植筋法连接㊂对混凝土强度不足且碳化深度较大的混凝土框架柱进行加大截面法加固㊁对混凝土强度不足且配筋与设计不符的柱进行粘贴碳纤维布法加固㊂2.2 结构钢筋应力分析为分析内部结构钢筋在荷载作用下的应力-应变关系,对C F R P 加固柱和普通柱的内部钢筋进行检测,同时采用A B A Q U S 模拟荷载激励作用下的应力分布㊂钢筋外形系数取0.14,锈蚀程度对钢筋应力-应变的关系忽略不计,混凝土表面的蜂窝㊁麻面等现象因对极限荷载影响较小,模拟时不予考虑㊂加固柱的内部钢筋应力检测示意图如图3(a )所示㊂通过结构钢筋尺寸㊁间距㊁外形和锈蚀情况的检测可粗略估计结构的质量状况,上部承重混凝土柱的钢筋应力水平较低㊂钢筋内部应力模拟如图3(b )所示,钢筋采用T R U S S 单元模拟,纵向钢筋和横向箍筋装配形成钢筋笼,并采用桁架T 3D 2单元模块㊂经模拟发现:加固柱内部钢筋应力水平大于普通柱的内部钢筋最大应力,钢筋最大应力为250.8M P a ,以此可看出C F R P 加固措施对结构质量的评估有利㊂2.3 黏结强度与受拉损伤关系评估C F R P 加固柱的黏结性能有利于结构承载力的准确预测,因此采用黏结强度仪对梁构件的碳纤维建材世界 2024年 第45卷 第1期片材粘结质量进行现场检验㊂随机选取10%混凝土加固柱,以每根受检构件为一检验组,每组3个检验点㊂碳纤维加固柱的损伤模拟示意图如图4(a )所示,柱内黏结应力计算如式(2)所示,钢筋内部拉力由式(3)计算得到㊂黏结应力在柱中分布与柱中受拉损伤分布相近,黏结强度最大值位于柱中位置处㊂同时采用拉拔测试仪对加固前后的混凝土柱进行粘结质量检测,对各楼层的承重部位进行拉拔粘结推定,发现拉拔强度推定值稳定在2.1M P a 左右㊂加固柱的正粘结强度提升约10%,模拟结果显示柱中损伤程度降低12%㊂加固柱的荷载挠度曲线如图4(b )所示,可以看出C F R P 加固柱的挠度显著小于普通混凝土柱和素混凝土柱的柱中挠度㊂τ=F πd l a (2)F =E s επd 24(3)式中,F 为柱内钢筋拉力(k N );τ为计算黏结应力(M P a );E s 为钢筋弹性模量(M P a );ε为钢筋应变;d 为钢筋直径(mm )㊂2.4 位移及应力模拟分析根据结构静载荷试验区间的选取原则,选取直径600mm 的混凝土加固柱进行位移模拟和应力模拟试验㊂模拟试验结果表明,柱的挠度限值为15.3mm ,现场实测加固柱的挠度最大值0.06mm ,说明粘贴C F R P 布的挠度符合承载力要求,卸载后加固柱最大残余应变约为3.8ˑ10-6,此时粘贴C F R P 布的加固柱在正常使用极限状态下结构处于弹性变形阶段㊂粘贴C F R P 布加固柱的位移模拟试验结果如图5(a )所示,可以看出顶端荷载激励处的位移处于最大值,最大位移为15.3mm ,位移沿柱顶向柱底逐渐降低㊂位移模拟图网格尺寸选用20mm 和40mm 两种规格,网格尺寸小的模拟结果更准确㊂C F R P 加固柱应力模拟结果如图5(b )所示,应力模拟结果为钢筋混凝土共同作用下的结果㊂结果表明:柱顶和柱底的应力大于柱中应力,应力分布与位移分布存在微小差异,距离柱顶400mm 处存在应力集中现象㊂裂缝的出现与结构承载力发展水平密切相关,因此对加固后的混凝土构件进行裂缝测量十分必要㊂应力集中斑点处产生最大宽度裂缝,损伤程度随裂缝宽度增大而增大㊂加载过程中,出现最大裂缝宽度为0.18mm ,最大裂缝宽度限值为建材世界 2024年 第45卷 第1期0.3mm ,裂缝宽度没有超限,而卸载后,裂缝恢复,应力水平小幅回升㊂2.5 应变测量每根混凝土柱的跨中布置5个应变测点,应变模拟见图6(a )㊂可以看出应变分布与受拉损伤区域的分布相近,将模拟数据进行后处理,得到C F R P 加固柱和普通柱的荷载挠度曲线,如图6(b )所示㊂由图6(b )可以看出:C F R P 加固钢筋混凝土柱的荷载挠度曲线较普通柱的荷载挠度曲线更高,极限承载力提升了12.8%㊂荷载挠度曲线显示C F R P 加固柱的残余挠度小于普通柱的残余挠度,加固柱的刚度比普通钢筋混凝土柱的刚度要大,且加固的钢筋混凝土柱延性更低,脆性更大㊂C F R P 保护层的应用改变了钢筋混凝土柱的极限承载力㊁耗能能力㊁刚度㊁延性和变形能力,出现这一情况的原因是粘贴C F R P 相当于增大了试件截面,极限承载力等因素也随之相应改变,从而显著改变了钢筋混凝土柱的承载能力㊂3 结 论通过有限元模拟C F R P 加固混凝土柱的轴压性能,进行了混凝土抗压强度㊁钢筋应力-应变分析及荷载挠度测定,确定了C F R P 加固柱的性能评估方法,得到了以下结论:a .C F R P 加固的钢筋混凝土柱使承载能力提升了112.8%,且加固柱承载能力随损伤程度增大而不断降低,C F R P 加固也可降低混凝土的碳化程度,提高柱内钢筋应力水平㊂b .根据有限元模拟C F R P 加固柱的位移㊁应力㊁应变及损伤程度,分析发现加固柱的破坏发生在柱中位置处,损伤程度沿着应力降低水平而降低㊂C F R P 加固混凝土柱的应力-应变分布规律与位移分布规律相近㊂c .粘贴C F R P 纤维布的加固方式大大提高了结构的承载力及耐久性,可快速满足灾后结构加固承载力要求㊂参考文献[1] 李鹏鹏.碳纤维(C F R P )布加固砌体的破坏和机理分析[J ].国外建材科技,2008,29(5):48-50,54.[2] 杜志鹏.高层建筑混凝土剪力墙构件加固施工技术[J ].砖瓦,2023(6):149-151.[3] 沈守全.混凝土结构加固设计[J ].建材世界,2011,32(4):83-85.[4] 常 亮.高层建筑工程项目混凝土加固施工技术研究[J ].中国建筑金属结构,2023,22(5):19-21.[5] 程东辉,姚宇航,王 丽.C F R P 布对不同截面混凝土柱加固性能分析[J ].建筑科学与工程学报,2023,40(3):40-49.[6] 朱 章.某工程地下室混凝土结构裂缝加固处理分析[J ].安徽建筑,2023,30(5):58-60.[7] 张东伟,冯尔云,谢 文.钢结构数字化工厂研究及应用[J ].建材世界,2017,38(6):57-60.[8] 张 丽.钢筋混凝土梁粘贴钢板加固的试验研究[J ].交通世界,2023(14):168-170.建材世界 2024年 第45卷 第1期。
CFRP布加固已损伤钢筋混凝土梁的有限元分析
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ａ ｅ ｓ ｎ ｂ ｅ ｆ ｉｅ ｅ ｅ ｅ ｔ ｍｏ ｅ ｆ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒｍ ｅ ｔ ｌｂ ａ ｗａ ｄ ｔ ｉ ｉｅ ｅ ｅ ｅ ｔ ｒ ａ ｏ ａ ｌ ｉ ｔ ｌ ｍ ｎ ｄ ｌｏ ｈ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｅ ｍ ｓ ｍａ ｅ ｗｉ ｆｎ ｔ ｌｍ ｎ ｎ ｈ ｍ ｅ ｈ ｄ，ａ ｄ ｔ ｅａ ａ ｙ ｉ ｗａ ａ ｒｅ ｕ ．Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｆｅ ｐ ｒ ｅ ｔ ｒ ｉ ｉ ｒ ｔ ｈ ｅ ｕ ｔ ｆ ｌ — ｔｏ ｎ ｈ ｎ ｌｓｓ ｓｃ ｒ ｉ ｄ ｏ ｔ ｅｒ ｓ ｌｓｏ ｘ ｅ ｉ ｎ ｍ ｗｅ ｅ ｓｍ ｌ ｏ ｔ ｅ ｒ ｓ ｌｓｏ ｅ ａ ｅ ｍ ｅ ｔｓｍ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｔ ｅ ｆ ｉｅｅ ｅ ｎ ｎ ｌ ｓ ｓｃ ｕ ｄ ｂ ｓ ｄ ｔ ｘ ｃ ｌ ｔ ｄ ｈ ｌ ｘ ｒ ｌ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｎ ｉ ｌ ｔ ．Ｓ ｈ ｉ ｔ ｌ ｍｅ ｔ ａ ｙ ｉ ｏ ｌ ｅｕ ｅ ｏ ｅ ａ ｔｙ ｓ ｕ ｙ ｔ ｅ ｆｅ ｕ ａ ｒｏ ｍａ ｃ ｏ ｎ ａ ｐ ｏ ｆＣＦＲＰ ｓ ｒ ｎ ｔ ｅ ｅ ａ ａ ｅ ｅ ｍ ｓ － ｔｅ ｇ ｈ ｎ ｄ ｄ ｍ ｇ ｄ ｂ ａ ．
第１ ８卷 第 ４期
２１ ０ ０年 ８月
安 徽 建 筑 工 业 学 院 学报 （ 然科学 自 版）
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｈ ｉ ｎ ｔ ｕｅｏ ｃ ｉ ｃｕ ｅ＆ Ｉ ｄ ｓｒ ｏ ｒ ａ ｏ ｕ ｓｉ ｔ ｆ Ａｎ Ｉ ｔ Ａｒｈｔ ｔ ｒ ｅ ｎ ｕ ｔｙ
Ｖｏ ． ８ Ｎｏ ４ １１ ．
Ｆｉ ｔ ｌ ｍ ｅ ｎａ ｙ ｉ ｆｄａ ａ ｅ ｎｉｅ ｅ ｅ ｎｔ ａ ｌ ｓ ｓ ｏ ｍ ｇ ｄ ＲＣ ｅ ｍ ｂａ ｓ ｒ ｎｇ ｈ ｎｅ ｗｉｈ ＣＦＲＰ ｈｅ ｔ ｔ ｅ ｔ ｅ ｄ ｔ ｓ ｅｓ