FRP加固混凝土梁的有限元分析

摘要：利用ANSYS软件建立了三个FRP加固钢筋混凝土梁的有限元模型，将计算得到的结果与试验结果进行对比，验证所建立模型的正确性。

关键词： FRP加固梁ANSYS有限元分析

中图分类号：TV331文献标识码： A

0、 引言

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)以其轻质、高强、抗疲劳等优越的力学性能,广泛地应用于工程结构加固领域之中。在有些条件下传统建筑材料很难满足这种发展要求。FRP复合材料具有轻质，高强，耐腐蚀，抗疲劳，耐久性好，多功能，适用面广，可设计和易加工等多种优点。在重要的土木工程中，如超大跨，超高层，地下结构，海洋工程，高耐久性的应用，以及特殊环境工程，永久性工程，结构加固修复，都具着巨大的优越性。

1、单元有限元分析

1.1 单元有限元模型

在文献[1]中，提出了一种用单元分析FRP-混凝土界面破坏的方法。其基本思路是：用非常小的单元(0.25mm~0.5mm)来模拟混凝土和FRP 片材，在混凝土和FRP片材之间不再设置胶层，而是将二者直接联系在一起，通过混凝土单元的开裂破坏来模拟FRP的剥离。由于单元尺寸很小，因此混凝土材料的本构关系需要加以修正以考虑尺寸效应的影响。研究表明，采用有限元模型可以较好地预测FRP 和混凝土之间的面内剪切破坏。因此，使用该模型来分析FRP加固混凝土梁IC debonding 界面破坏。有限元模型中，虽然单个的混凝土单元依然基于弥散裂缝模型，但是因为单元尺寸非常小(0.5mm 以下)，因此仍然可以较好地模拟裂缝附近的变形以及滑移集中情况。

1.2 界面粘结滑移关系

对于远离受弯裂缝的FRP-混凝土界面该裂缝形状与面内剪切试验的裂缝形状很相似[1]，说明此处的粘结-滑移关系与面内剪切试验的差不多，故可直接采用由剪切试验得到的界面粘结-滑移关系。

1.3 双重剥离破坏准则

通过前面的分析可以知道，如果界面距离受弯裂缝较远，即与界面单元相连的混凝土单元没有开裂，其剥离破坏主要是由界面的整体单向相对滑动引起，滑移场比较均匀，采用普通界面单元的形函数可以较好地估计单元内部的滑移状态。

2、ANSYS有限元分析结果

基于ANSYS软件分别建立了文献[2]中的BL20-2、PPL30梁和文献[3]中的RLII-3梁的有限元计算模型，各个试件的材料参数详见文献[2-3]。为节省计算时间，根据对称性，对每个试件仅建立了1/4梁的有限元模型。

计算得到的荷载－跨中挠度曲线及与试验结果的对比见图1所示,将计算得到的梁的极限承载力与试验结果进行对比见表1所示。

（a）BL20-2梁 （b）PLL30梁 (c)RLII-3梁

图1 计算的荷载－跨中挠度曲线与试验结果的对比

表1计算极限荷载与试验结果的对比

计算的梁荷载－跨中挠度曲线与试验结果的对比可知，从加载直到屈服阶段，计算得到的荷载－挠度曲线与试验结果有很好的吻合；屈服后，BL20-2和PLL30梁的荷载－挠度曲线与试验结果吻合较好，但RLII-3梁的模拟结果与试验结果误差较大，模拟结果未能合理反映梁荷载－挠度曲线的下降段。

计算得到的三根梁的极限荷载均与试验结果有较好的吻合，即建立的有限元模型可以较好的模拟FRP加固混凝土梁的承载力。

Solid65单元使用弥散式裂缝模型，针对混凝土的开裂与压碎，ANSYS中提供了专门的图形显示命令PLCRACK。该命令用小圆圈表示混凝土的开裂部位，小八边形表示混凝土的压碎部位。如果裂缝张开后又闭合，通过小圆圈中间加X表示。此外，在每个积分点处可以有至多三个开裂面，第一、二、三方向裂缝分别用红、绿、蓝小圆圈表示。限于篇幅限制，仅将模拟得到的BL20-2梁在不同加载过程的破坏形态列出，如图2所示。

由于关闭了混凝土的压碎选项，混凝土的破坏仅以开裂体现，在破坏前期，最主要的破坏形态是梁跨中底部混凝土的开裂，且所有开裂形态基本为弯曲裂缝；在梁的中度开裂阶段，开裂高度增加，且在支座上部出现出现剪切斜裂缝；在梁的最终破坏阶段，梁的开裂进一步加剧，跨中裂缝布满整个梁高，支座处剪切斜裂缝向顶部扩展。

(a)初始开裂阶段

(b)中度破坏阶段

(c) 最终破坏阶段

图2 模拟得到的梁在不同加载阶段的破坏形态

3、结论与展望

本文在总结了国内外利用ANSYS软件对FRP加固混凝土结构进行有限元模拟分析取得的研究成果的基础上，建立了FRP加固混凝土梁的有限元计算模型，模拟得到了梁的荷载－挠度曲线，极限荷载以及梁在不同加载阶段的破坏形态；将模拟结果与试验结果进行的对比表明，所建立的有限元模型可以较为准确的模拟梁的承载能力以及破坏形态，验证了所建立的有限元模型的正确性。

随着经济高速发展和技术飞速进步，世界各国对土木工程的要求越来越高。FRP复合材料在土木工程中的应用技术与材料研究开发,在当今世界上已成为复合材料界与土木工程界共同研究开发的一个热点。该技术研究开发成功后将会极大地推动现代土木工程的技术进步。它还将为现代复合材料产业开辟出巨大的应用市场，因而具有非常广阔的发展应用前景。

作者简介：

作者简介：赵健（1979.1－），男，工学学士，工程师。

参 考 文 献：

1Lu Xinzheng, Teng Jinguang, Ye Lieping and Jiang Jianjing. Bond-slip models for FRP sheet/plate-to--concrete interfaces [A]. Proc.2nd International Conference of Advanced Polymer Composites for Structural Applications in Construction [C]. Cambridge, UK: Woodhead Publishing Ltd, 2004. 152~161.

2王文炜.纤维复合材料加固钢筋混凝土梁抗弯性能研究:[博士学位论文].大连:大连理工大学,2003.

3杨枚.碳纤维布加固高强钢筋混凝土梁抗弯性能研究:[硕士学位论文].大连:大连理工大学,2005