基于ABAQUS分析BFRP网格加固钢筋混凝土梁

来源:用户上传      作者:孙兴武 王晨 赵旭鹏

　　摘要：本文应用ABABQUS有限元软件，对4根RC梁进行了数值模拟。着重分析了BFRP网格加固RC梁在不同配筋率下的抗弯承载力提高情况，并将FEM所得值与理论计算值进行比较。研究发现，玄武岩纤维网格能很好的提高RC梁的抗弯承载力，且配筋率较低的梁加固效率更高。
　　关键词：BFRP;加固;RC梁;数值模拟
　　中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2020.25.074
　　
　　0引言
　　由于钢筋混凝土材料自有属性，建（构）筑物随时间发生混凝土碳化、钢筋锈蚀和结构部分损伤等现象，出现正常使用功能受限、原结构承载力不足和构件寿命周期短等问题。建筑结构加固技术无疑是解决这一系列问题的可行性办法。国内学者对FRP加固RC梁也做出了大量工作。
　　本文通过ABAQUS软件，模拟双层玄武岩纤维网格加固钢筋混凝土梁受弯的破坏过程，由此得出梁的损伤、位移和抗弯承载力值等结果。结果表明，应用BFRP网格加固形式，可有效提高RC梁的抗弯承载力。
　　1玄武岩纤维的特性
　　玄武岩纤维（Basalt Fiber Reinforced Polymer）的原材料是玄武岩矿石，后经工艺加工而成，颜色多为黑褐色。因力学性能优良，化学性能稳定，成为结构加固领域的新兴材料。它具备以下几点特性：
　　（1）轻质高强。
　　（2）耐高温、抗腐蚀。
　　（3）绝缘性好。
　　（4）生产成本低。
　　（5）产品绿色。
　　2本构选取与验证
　　2.1本构选取
　　（1）因混凝土抗拉性能较差，大约是其抗压性能的7%，为节约计算成本，故忽略混凝土的抗拉能力。
　　（2）混凝土单轴抗压和钢筋单调加载本构参考《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）。
　　（3）BFRP网格选取纯弹性本构模型，弹性模量为88GPa。
　　2.2模型验证
　　目前国内尚未有BFRP网格加固RC梁的系统研究，但梁与板同为典型的受弯构件，故本文选取东南大学陈功同学加固桥面板的材料参数，并对其B0-0、B1-0、B3-0试验桥面板进行模拟，验证模型科学性。试验桥面板的模拟结果如图1、图2、图3。
　　通过对比以上模拟与试验桥面板荷载-位移曲线，发现模拟值与试验值吻合度较高，证明本文所建模型的建模方法、材料本构和材料属性是正确的。
　　3研究内容
　　3.1基本信息
　　本文共选取了4根钢筋混凝土梁，混凝土强度等级C40，保护层厚度25mm，梁横截面尺寸200×250，跨度2900mm，净跨2700mm，具体材料性能和几何参数如表1、表2、表3、表4。
　　
　　3.2建立模型
　　混凝土模型和钢筋模型分别见图4、图5。
　　
　　3.3单元类型
　　混凝土单元类型选择三维实体单元C3D8R，钢筋单元类型选择桁架单元T3D2，BFRP网格同于钢筋。
　　3.4边界条件和加载方式
　　本文梁系简支梁，一端仅释放竖向转动位移，另一端释放竖向转动和水平位移。采用位移加载方式。
　　4结果分析
　　结果见图6、图7、图8、图9、图10。
　　由图7、图9混凝土受压损伤云图可以看出，梁上部混凝土已经开始压碎，通过图8、图10钢筋应力云图发现梁底部纵筋已经屈服，受弯承载力转由BFRP网格承担。此时L2的网格应力为1422MPa，L4的网格应力为1096MPa，说明梁发生破坏时，加固网格尚未被拉断，属部分超筋破坏。
　　
　　通过图11、图12对比得出，加固网格对梁的刚度有提高作用，幅度不大，抗弯承载力提高明显，但延性稍有降低。L1加固后抗弯承载力由66.5kN提高到97.6kN，提高幅度46.8%，而L3加固后抗弯承载力由97.1kN提高到121.0kN，提高幅度24.6%。均有明显提高，说明BFRP网格加固RC梁的效果显著。
　　
　　通过抗弯承载力理论值和模拟值的比较，见表5 虽有一定误差，但在可接受范围内，也进一步证明了所建模型的正确性。
　　
　　由图13比较不同配筋率下的加固效果，对比发现，L2抗弯承载力相较L1提高了46.8%，L4抗弯承载力相较于L3提高了24.6%。表明对于低配筋率的梁构件来说，BFRP网格加固效果更明显。
　　5结论
　　本文通过数值模拟分析了不同配筋率下双层BFRP网格加固梁构件，得出以下结论：
　　（1）BFRP网格加固钢筋混凝土梁构件可以有效提高梁的抗弯承载力，延缓跨中挠度，但延性略有降低。
　　（2）对于配筋率较低的梁构件，BFRP网格加固效果更显著，故效率更高。
　　（3）模拟值之所以高于理论值，原因是选择钢筋和BFRP网格均内嵌于混凝土内的作用方式，认为钢筋、网格和混凝土之间粘结完好，不存在粘结滑移，因此模拟值要高于理论值，但结果在误差允许范围内。
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