碳纤维钢筋混凝土梁开裂性能分析.pdf
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1、卢召红等 : 碳纤 维钢筋混凝 土梁开裂 性能分析 41 碳 纤维钢筋混凝土梁 开裂性 能分析 卢召红 , 张光 明 , 陈健 , 王晓梅 ( 1 东北石 油大学 , 黑龙江大庆1 6 3 3 1 8; 2 中国寰球工程公司 新疆克拉玛依8 3 3 6 0 0) 【 摘要】 利用有限元数值分析方法, 对静载作用下的碳纤维钢筋混凝土梁开裂性能进行分析。通过有限 元数值模拟方式, 利用逐渐增大荷载的方法, 分析碳纤维含量对梁体开裂性能的影响。通过与普通钢筋混凝土试 件模拟结果相比表明, 碳纤维钢筋混凝土梁具备更好的开裂性能。其裂缝宽度可通过普通钢筋混凝土梁的规范 公式进行修正。 【 关键词】 碳纤
2、维钢筋混凝土; 碳纤维混凝土梁; 裂缝; 挠度 【 中图分类号】 T u 3 7 7 9 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 4 1 0 3 CRACKI NG BEHAVI oR ANAL YS I S oF CARBoN Fm ER RE oRCED CoNCRETE BEAM L U Z h a o h o n g , Z HANG Gu a n g - mi n g , CHE N J i a n ,WA NG Xi a o me i ( 1 N o r t h e a s t P e t r o l e u m
3、 U n i v H e i l o n g j i a n g D a q i n g 1 6 3 3 1 8 , C h i n a ; 2 C h i n a Hu a n q i u C o n t r a c t i n g&E n g i C o r p , X i n j i a n g k a r a ma y 8 3 3 6 0 0,C h i n a ) Ab s t r a c t : Th i s p a pe r a n a l y z e d t he c r a c k i n g b e ha v i o r o f c a r b o n fib e r r
4、e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m u n d e r s t a t i c l o a d us i ng t h e fin i t e e l e me n t n u me r i c a l a na l y s i s By t h e wa y o f fi ni t e e l e me n t nu me r i c al s i mu l a t i o n a n d t h e me tho d o f i n c r e a s i n g the l o a d g r a d u a l l y t o a n a
5、ly z e the c a r b o n fib e r c o n t e n t i n flu e nc e o n the b e a m c r a c ki ng By c o mp a r i n g wi th the s i mu l a tio n r e s uh o f c o mmo n r e i nfo r c e d c o n c r e t e b e a m t e s t p i e c e, i t t u r n e d o u t tha t the c a r bo n fi be r rei n f o r c e d c o n c r
6、e t e b e a m h a s a g o o d c r a c ki ng a n d d e f o r ma t i o n b e h a v i o r I t s c r a c k w i d th c a n b e r e v i s e d b y the c o mmo n r e i nfo r c e d c o n c ret e b e am r u l e s Ke y wo r d s: c a r b o n fibe r r e i n f o r c e d c o n c r e t e;c a r b o n fib e r c o n c
7、 r e t e b e a ms ;c r a c k;d e f o r ma t i o n 在普通混 凝 土 中添加 少 量 一定 形状 碳纤 维 和超 细添加剂 ( 分散剂 、 去泡剂 、 早 强剂 等) , 能够制备 导 电 混凝土并可显著提高混凝土的强度和韧性。在智能 材料结构系统的研究和开发中倍受关注 。该碳纤 维导 电混凝土 内部配 置受 力钢筋 , 可制作 成结构 的 主 要受 力构 件 , 广 泛应 用 于防 护工 事 , 防止核爆 炸 电磁 杀伤 、 工程监测等领域口 。 然而 , 碳纤维 钢筋 混 凝 土 梁 由于 材 料性 质 复杂 , 有关裂缝的宽度仍未有相应的计
8、算公式, 目前的设计 计算仍借助普通钢筋混凝土梁 的裂缝宽度计算公式。 现行的钢筋混凝土梁体裂缝宽度计算不能完全符合 碳纤维钢筋混凝土构件裂缝 的变化。文中在碳纤维 钢筋混 凝 土静 载 试 验 的基 础上 , 采 用有 限元 分 析 方 法 , 探讨其静力作用下裂缝性能, 并与普通钢筋混凝 土规范计算方法得到的结果进行比较 , 给出修正后的 裂缝计 算公式 。分析 结 果 表 明修正 后 的公 式 与试验 结果更加接近, 可为碳纤维钢筋混凝土结构设计提供 基金项 目】 黑龙江省教育厅科学技术研究项 目( 1 1 5 5 3 0 1 6 ) 参考依 据。 1 模型的设计 碳纤维钢筋混凝土梁构件
9、, 其材料非线性与几何 非线性常同时存在 , 给模拟分析和描述带来非常大的 难度 。A N S Y S分析软件中, 一般采用 S o l i d 6 5单元 模拟钢筋混 凝土 和岩 石 等抗 压能 力 远大 于抗 拉 能力 的非均匀材料 , 采用 S H E L L 4 1 单元模 拟碳纤 维。 1 1 模型的建立 采用 Wi l l i a m Wa mk e模型模拟混凝土, 采用 S o 1 i d 6 5单 元 , 梁 中 钢 筋 采 用 P i p e 2 0单 元 , 碳 纤 维 采 用 S h e l l 4 1 单元 。材料间隔各接触面无相对滑移, 满足 变形 协调原理 。所建模
10、 型具 有充足的抗剪切力 。 分析以各模型中钢筋配筋率相同碳纤维含量为 变量建立了三组模 型( 梁) 。模 型采 用 C 3 0混凝 土( 抗 压强度标准值厶 = 2 0 I N m m , 抗拉强度标准值 = 2 O l N 舢 ) , 纵 向钢 筋 采 用 2根 公 称 直径 1 2 m m 的 H R B 3 3 5 ( 屈服强度 = 3 3 5 N 姗 ) 钢筋 , 截面尺寸均 4 2 低温建筑技术 2 0 1 3 年第 5 期( 总第 1 7 9 期) 为 1 8 0 ra m 2 0 0 ra m。模 型 I 碳纤维含量为 0 ; 模 型 I I 碳 纤维 含量 为 0 6 ( 体
11、积 比) ; 模 型 I I I 碳 纤 维含 量 为 0 8 ( 体积 比) 。碳纤维主要性能指标见表 1 。 表 1 碳纤维主要性能指标 碳纤维钢筋混凝土可采用分离式模 型: 混凝土 ( S O L I D 6 5单 元 )+钢 筋 ( P i p e 2 0单 元 )十碳 纤 维 ( S h e l l 4 1单元) 。将混凝土和钢筋各 自划分为足够小 的单元 , 分别求解各 自的矩阵单元。按工程实际情况 忽略钢筋的横向抗剪强度 , 将钢筋作为线单元处理。 钢筋混凝土梁网格化分后的模型见图 1 。 Lx ( ) 整体 恪圈 ( b ) 截厩网格图 图1 试件粱网格化分后的模型 碳纤维运用
12、 S H E L I A1 单位 , S H E L I A1 单元 内具有 膜强度 , 平面外没有弯曲强度, 单元在每个节点 x y z 轴 向有三个 自由度 , 可承受平面 内荷载和法向荷载。 1 2 模型材料主要性能和破坏准则 1 2 1 混凝土单元 的非线性特征 S o l i d 6 5单元具有 8个节点, 其 6个面可以是曲 面, l 2条棱可以是曲线段, 单元可带有各 向异性 的材 料增强 , 最 多可允许 3 种增强材料 , 增强方 向可任意定 义。混凝 土材料模型能 够预报脆 性材料 的破坏 , 模 拟 材料各 向异性开裂和压碎 的性能 。 S o l i d 6 5单元应力
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