碳纤维加固钢梁稳定性有限元分析

摘要：随着CFRP的广泛使用，利用它来加固钢结构的研究也越来越深入，但对粘贴CFRP布的钢梁的稳定性研究还较少，本文采用ABAQUS有限元软件对CFRP布加固工字型钢梁的稳定性进行了分析。结果表明，粘贴CFRP能有效提高工字型梁的稳定性，提高的多少与粘贴的CFRP宽度与厚度密切相关。

关键词：工字型梁；CFRP布；稳定性； 有限元模型

Abstract: with the widespread use of CFRP, the use of it to reinforce the steel structure of the research is also more and more deeply, but to paste the stability of the steel beam of CFRP cloth is seldom researched, this paper using ABAQUS finite element software CFRP reinforced cloth to work the stability of the steel beam fonts are analyzed. The results show that paste CFRP can improve the stability of the font beam work, improve the pasting CFRP with how much of the width and thickness closely related.

Keywords: work fonts beam; CFRP cloth; Stability; Finite element model

中图分类号：U445.47+2文献标识码：A文章编号：

1引言

现有的钢结构建筑物、构筑物等，由于设计、制造、施工及疲劳荷载作用等因素的影响，导致其强度或是稳定性能不满足要求，而需要进行加固。传统钢结构加固方法是焊接钢板,这种方法在一定程度上增加了结构尺寸,造成结构重量的增加和刚度的改变,导致结构的内力重分布,并且在施工上具有一定的难度，高空作业时还有一定得危险性。而采用CFRP进行加固，施工简单，并具有良好的耐腐蚀性，不会出现钢板加固后的锈蚀现象。对现有的加固方式主要是在梁的受拉面粘贴CFRP提高其抗弯承载力和抗弯刚度，在梁的腹板粘贴CFRP提高其抗剪承载力，对疲劳损伤钢结构进行加固，提高疲劳寿命。

除了上述一般的加固效果研究外，在以下加固方面也有了一定的研究，如：利用CFRP加固焊接钢结构使结构形成新的组合构件，这种组合构件有更高的承载能力。CFRP布加固钢梁拼接节点能提高拼接节点的可靠性。在钢梁的受拉翼缘上侧粘贴CFRP进行加固可以提高其承载能力和刚度。同时还有研究表明，钢梁和组合梁采用CFRP 布和CFRP 板加固后其性能均有所提高，对于损伤钢梁和组合梁粘贴CFRP 板的加固效果则更加明显。本文利用ABAQUS对CFRP布加固跨中受集中荷载的简支工字型梁进行有限元模拟，并与理论值进行比较分析后，再研究CFRP布厚度和宽度对工字型梁稳定性的影响。

2有限元模型的建立

首先，初步选定截面尺寸，通过理论值计算其屈曲荷载，同时要求满

足应力不超过钢材屈服强度。再适当调整尺寸，以满足要求，选定截面如

图1所示，长度取3.6m，且在跨中设支撑加劲肋。钢材假设为理想弹塑性，

且各向同性材料，取参数，泊松比。CFRP复合

材料为各项异性材料，其材料参数如表1所示。

表1 CFRP复合材料的材性参数图1截面尺寸

文中对工字型钢梁和CFRP布均采用S4R壳体单元模拟，图2(a)为未用CFRP加固的钢梁模型图，(b)为400mmCFRP布加固后的模型图。CFRP布沿跨中对称分布，且CFRP布的厚度以一层为0.85mm厚设置，模型分析表明，对该构件来说，贴一层CFRP时，在构件屈

曲前CFRP布先失效，即无加固效果，固文中选用两层~七层的CFRP布进行模拟。且CFRP宽度分别选用200mm,400mm,600mm,800mm,1000mm,1200mm,1400mm进行加固模拟。

(a)未贴CFRP布的工字型梁模型 (b)贴400mmCFRP布的工字型梁模型

图2. 模型图

按上述要求，分别进行有限元模拟，得出数据如表2。表中数据为模拟计算的特征值，特征值乘以荷载加步所加的荷载142200N即为构件屈曲荷载。当不贴CFRP时，计算特征值为0.96535，比较各种情况下的特征值，得出各种加固条件下屈曲荷载的提高百分比。

表2. 模拟计算值及处理结果

续表2.

由以上数据可分别画出贴一定宽度CFRP布时厚度的影响图，如图3。并且将贴不同宽度CFRP布的CFRP厚度——屈曲荷载提高曲线画在一张图上进行比较，如图4.通过比较可知：CFRP层数一定时，贴的宽度越宽，则屈曲荷载提高越大，并且所贴CFRP布宽度越宽的构件，屈曲荷载提高越快。并且当CFRP层数超过一定值后屈曲荷载提高百分比趋于稳定。

图3. 贴不同宽度CFRP加固构件随层数变化，屈曲荷载提高曲线

当所贴CFRP层数一定时，屈曲荷载提高与所贴CFRP宽度的关系曲线见图5。从图中可以看出，CFRP层数一定时，屈曲荷载随着CFRP宽度的增加而提高，且提高的速率越来越快。即贴CFRP层数越多，宽度越宽的加固构件稳定性能最好。而且当所贴CFRP宽度较窄时，CFRP层数的影响不是很大，贴CFRP宽度越宽的构件，CFRP层数的影响也越大。

模拟值与理论值的比较

根据势能驻值原理，建立中性平衡方程，利用迦辽金法求解跨间横向荷载作用下梁的侧扭屈曲荷载，即利用公式（1）求解。

——公式（1）

将所选截面特性带入上式求得理论屈曲弯矩值，屈曲荷载值。模型求解未贴CFRP布的工字型梁的屈曲荷载为，模型值与理论值的误差为2.78%。有限元模拟值与理论计算值基本吻合，验证了上述方法模拟工字型梁的正确性。

结论与展望

根据本文的分析结果，可以得到如下结论：

(1) CFRP加固工字型梁能有效提高梁的侧扭屈曲荷载。当所贴CFRP层数一定时，屈曲荷载随CFRP布宽度的增加而提高得越快；当所贴CFRP宽度一定时，屈曲荷载随CFRP层数的增加而提高越快，且层数增加到一定数值后，提高趋于稳定。

(2) 当所贴CFRP宽度较窄的时候，工字型梁屈曲荷载提高不打，且CFRP层数对屈曲荷载的影响也较小。

(3) 从图4，图5可以看出，屈曲荷载的提高比例与CFRP的层数和宽度都成抛物线关系。加固后的屈曲荷载可通过理论值乘以一个比例系数来确定

本文通过有限元对CFRP加固工字型钢梁的稳定性能进行了模拟，得出了一些初步的结论和成果，但还有很多工作需要继续进行，就该课题本文提出一些后续研究工作：

CFRP布的影响系数、有待进一步的确定；

(2) 为了在实际工程中能有效利用该加固方法，CFRP布加固构件中CFRP布及钢梁所受的应力理论解的推导是后续研究需要解决的难题。

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。