外粘FRP加固钢筋混凝土梁、板的FRP有限元模型.pdf
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1、 第2 期 2 O O 7 年2 月 广东 土木 与建筑 GUANGD0 NG ARC HI TE C T URE C I V I L E NG I NE ERI NG N 0 2 F EB 2 0 O 7 外粘F R P加固钢筋混凝土梁、 板的F R P有限元模型 吕文龙 A A g b o s s o u M L a g a c h e E F e r r i e r 3 P H a m e l i n 3 ( 1 、 广东省建筑科学研究院 广州5 1 0 5 0 0 ; 2 、 法 国萨瓦大学香柏丽工程师学院 L O C I E实验室: 3 、 法国里昂第一大学 L 2 MS实验室) 摘
2、要 : 提 出一种基 于壳单元 S h e l l 9 9模拟 F R P材料 的新模型 , 与现 有模 型对单层 F R P粱加 载后进行 比较 , 发现 几种 计算结果基本相 同, 再与试验 粱进 行比较 , 其 计算结果与试验值 吻合较 好 , 该模 型也 可用来分析 外粘 F R P 的钢筋混凝土板 以及混凝土与 F R P接触面的粘结作 用等 方面。 关键词 : F R P ;试验分析 ;破坏应力 ;非线性行为;加 固;混凝土粱板 1概述 建筑工程结构的加固与改造是不可避免的 通过 在受拉侧粘贴 F R P布或 F R P板加 固钢筋混凝土梁 的技术被广泛应用。大量的研究表明 经 F
3、 R P加 固的钢筋混凝土梁与普通钢筋混凝土梁的破坏模式 有显著的不同 结构设计人员需要有效地使用现有的有限元工 具而非专门编制新 的工具来解决工程问题 因此商 用有限元软件 A N S Y S被广泛用于 F R P加 固工程结 构 的设计分析方面。 S o l i d 4 6与 S h e e l l 4 1 普遍应用于 模拟 F R P的结构单元 但前者存在单元尺寸差异过 大的问题 , 而后者则 只能模拟单层 F R P材料 本文 提 出一种新 的 F R P模型 , 它能克服上述 困难 模拟 混凝土非线性行为 、 F R P多层形式及二次 曲线破坏 准则等 , 较适用于工程结构的加固设计
4、 2 现有 F R P加固钢筋混凝土梁、 板的有限元模型 目前普遍采用两种模型来模拟混凝土 的破坏 即: 离散模型( 离散裂缝法) : 随着混凝土裂缝的发 展, 重新划分模型网格来独立重新生成裂缝; 忽略 裂缝模型 : 模拟混凝土的微观行为 通过刚度和应 力传递考虑裂缝 的折减 ( 专门的混凝土破坏法则 ) 。 本文所述各模型均采用后一种方法 2 1 钢筋混凝土模型 图 1为两个钢筋混凝土模型。 模型 1 ( R C M1 ) 把 梁或板当作多层材料 , 其优点是建模容易 计算时间 少; 缺点是在钢筋非均布位置不太准确 通过均布法 则得到钢筋应力 模 型 2 f R C M2 ) 通 过 杆
5、单元专门模拟钢筋 假设 混 凝土 与钢 筋 间理想粘结 其优点 是考 虑 钢筋 的确 切 位置 直接获得钢筋 的应力 : 缺点是建模 ( a )模型 1 ( R C M1 ) ( b )模型 2 ( R C M2 ) 图 1 钢筋混凝土模 型 与划分 网格复杂( 必要 的节点数 目) 。 计算时间长 存 在收敛 问题 2 2 与钢筋混凝土模型粘结的 F R P模型 F R P M1是一个 8节点三维实体单元 ( 如图2 a ) 可模拟较厚 的多层壳或实体 该单元( S o l i d 4 6 ) 允许 多达 2 5 0个不同的材料层 各单元节点有 3个 自由度 即 、 Y 、 方向的移动。 复
6、合材料单元 的节点与相邻的 混凝土单元节点连接 使用该复合材料单元时常会 不满足有限元网格划分条件 即单位尺寸最大值与 最小值之比2 0 , 故仅局限于模拟较厚 的F R P材料 F R P M2是有膜刚度( 平 面内) 三维 单元 而无弯 曲刚度 ( 平面外) 的三维单元 ( S h e n 4 1 ) ( 如 图 2 b ) , 该 单元 每个节点也有 3个 自由度 即 、 、 z方 向的移 动,其 F R P单元节点 同样与邻近混凝土单元连接 该单元虽建模方便 , 但仅能模拟单层 F R P 3 基 于壳单元 S h e l l 9 9的 F R P加 固钢筋混凝土梁、 板 的有 限元模
7、 型 基于壳单元 S h e l l 9 9的 F R P M3 ( 如 图 2 c ) 是一个 多层复合材料 , 能模拟平面内与平面外的行为, 该单 元能模拟 2 5 0层 F R P 每个节点有 6个 自由度即 3 个 59 维普资讯 http:/ 2 0 0 7 年2 月 第2 期 吕 文 龙等: 外 粘F l I P 加固 钢筋混凝 土梁、 板的F R P 有限 元模 型 F E B 2 0 0 7 N o 2 方向的移动与围绕 3个方向的转动 复 合材料单元的节点与相邻的混凝土单元 连接。 为了保证 自由度的兼容性 可以在 混凝土与 F R P接触 面把旋转 的条件 转 化为 自由度
8、 的耦合条件 应用该模型需 要编制专门的程序来保证单元的连续 F R P M 3模型能用二次 曲线破坏 准 则如泰一吴准则来分析 F R P的破坏 由 于它多层的性质 为模拟钢筋混凝土结 构外粘 F R P的粘结问题提供了新途径 4数值比较与试验验证 ( a )F R P M 1 ( b ) F R P M2 ( C )F R P M3 4 1 数值 比较 上述模型可按如下多种组合使用 即: R C MI + F R P M1 ; R c MI + F R P M 2 ; R c MI + F R P M 3 ; R C M 2 + F R P M 1 ; R C M 2 + F R P M
9、2 ; R C M 2 + F R P M 3 。 图 3展示 了各模型应用在底部粘结 F R P梁的 3点荷载受弯分析结果 的比较曲线( R C M1 、 R C Ml + F R P M1 、 R C MI + F R P M2 , R C MI + F R P M3 ) 上述 4种 模 型组合的混凝土开裂荷载分别为 4 5 , 5 2 5 - 3 , 5 3 k N, 使用荷载分别为 l 8 7 3 2 1 , 3 3 5 , 3 4 2 k N可见梁上 的 F R P增大了开裂荷载和使用荷载 F R P的使用使 极限弯曲位移显著减小 表 3给出了 3点弯曲荷载 ( 4 8 k N) 作
10、用下梁跨中 F R P的应力值 除 R C M1 外的 3种模型组合的应力值分别为: O x - - 4 2 4 4 1 2 3 8 7 MP a ; =5 7 7, 5 9 0, 5 6 0MPa; = 0 57, 一 0 0 4, 0 0 06 MPa。 分析结果表明 F R P中最大的应力是 ( 梁的长向 应力) , 其次是 、 , 且该 3个复合材料模型与均 匀钢筋混凝 土模型的组合得 出的结果相近 如对于 梁的挠度 、 F R P应力 、 钢筋应力。但 R C M1 、 R C M 2与 各 种复合材 料模型 ( F R P M1 , F R P M2 F R P M3 ) 组 合
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