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%。
这表明，在钢梁屈服之后碳纤维布才开始发挥其高强度特性，而在钢梁屈服前所起作用有限。
经分析，主要原因是由于碳纤维布与钢材的弹性模量差不多，可以将碳纤维板的面积转化为相应的钢材面积，通过胶层传递到碳纤维板上的新增荷载相对于原钢梁承受的荷载来说很小，故加固效果有限。
而对于sb-3梁，在加载至100kn时，出现转折点，其挠度增长速度明显变慢，可以判定此时碳纤维布便开始发挥作用，承受的荷载比例逐步增大。
结果显示，其极限荷载提高至175kn，比sb-1梁
提高9.4%，比sb-2梁提高6.1%。
这充分说明了在碳纤维布加固钢梁中施加预应力的重要性。
２．２预应力等级对加固效果的影响
sb-3与sb-4梁分别对梁底一层碳纤维布施加了不同的预张应力，为1200με、3600με。
碳纤维布尺寸相同，长为1000mm，宽为80mm。
加载模式如图1所示，20kn为一级。
sb-3梁在加载至100kn时出现转折点，跨中挠度增长速度减缓；加载至180kn时，挠度增长速度又开始加快，根据钢梁极限承载能力的确定原则可以判断出其极限强度为200kn。
随着预应力的增大，屈服荷载也随之提高，sb-3与sb-1末加固钢梁相比提高25%。
采用预应力碳纤维布加固钢梁后屈服荷载之所以提高，是因为由于预应力的作用，先使受拉区处于压应力状态，而在外荷载作用下首先需要抵消这部分预应力，因此结构的承载能力得以提升。
由此可见，在保证钢梁受拉区翼缘不会因较大的拉力下屈服的前提下，适当提高碳纤维的初始张拉应力可有效改善加固效果。
２．３粘贴长度对加固效果的影响
选取sb-3梁作为研究对象，保持初始张拉应变3600με不变的前提下改变碳纤维布的粘贴长度，取400mm~1000mm，每隔200mm为一级，共4个等级。
外荷载p取70kn，总荷载为140kn。
改变碳纤维布的粘贴长度对加固梁跨中找度的影响很小。
根据等效荷载概念[8]来看，对碳纤维布施加预应力即在梁底预施加了一对压力，等同于在梁端产生了一轴向压力和一对弯矩，与纤维布
的粘贴长度无关。
四种粘贴长度下，两端的剪应力均在0.1mpa左右，这说明相等的初始张拉应力下端部剪应力变化很小。
但在400mm、600mm与800mm 三种粘贴长度下，在纤维布的锚固端都存在应力集中现象，其中400mm时剪应力最大值达到0.25mpa。
随着粘贴长度的增加，端部应力峰值逐渐降低，当碳纤维布粘贴长度达到1000mm时，峰值消失。
２．４粘贴厚度对加固效果的影响
选取sb-3梁作为对比对象，sb-4与sb-5保持初始张拉应变3600με不变的前提下改变碳纤维布的粘贴厚度，分别为2层与3层。
外荷载p取70kn，总荷载为140kn。
随着碳纤维布层数的增加，跨中挠度呈线性增长，当层数达到3层时，跨中挠度降低7.2%，这意味着其截面刚度与sb-1末加固梁提高了约9.8%.。
这是因为随着碳纤维布层数的增加，产生的等效荷载也在变大；同时，在相同荷载下，其承受的荷载也逐级增加。
３．结论
通过上述各试验梁的有限元分析可知：
3.1利用碳纤维加固钢结构受弯构件时，碳纤维布的高强度特点仅在钢梁屈服后才得以充分发挥，而在钢梁屈服前，碳纤维布所起的作用有限，极限承载力提高约3.1%。
而采用预应力碳纤维布加固方法，可有效提高其抗弯承载力与刚度，充分发挥碳纤维布的材料性能，极限承载力提高约9.4%。
3.2预应力碳纤维布加固钢梁的效果与施加的预应力大小有关，增大预应力可有效提高加固钢梁的屈服强度与极限承载力。
3.3改变预应力碳纤维布的粘贴长度，对钢梁的刚度影响不大。
但粘贴长度较小时，锚固端存在明显的应力集中,合理的粘贴长度为900~1000mm，约为跨度的75%~85%。
此外，由于初始张拉应力的存在，锚固端剪应力较大，需设置合理的锚固措施。
3.4在保持预张拉应力不变的前提下，增加预应力碳纤维布的层数可有效提高加固梁的刚度。
【参考文献】
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［８］蓝宗建主编．混凝土结构设计原理．南京:东南大学出版社,2008.
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