CFRP板加固H型钢梁抗弯性能分析.pdf

安徽建筑中图分类号：TU392.1文献标识码：A文章编号：1007-7359（2023）5-0086-03DOI:10.16330/ki.1007-7359.2023.5.0300引言我国钢结构行业发展主要经历以下四个阶段1：第一阶段为上世纪50年代到60年代，主要是苏联援建项目中有很多是钢结构厂房，国内开始有一批研究人员主动开始学习钢结构设计和施工技术；第二阶段为60年代到70年代，这一阶段由于国内钢铁资源短缺，导致钢结构技术发展较为缓慢；第三阶段为上世纪 80年代到 90年代，这一阶段建筑钢结构随着改革开放的步伐开始恢复性增长；第四阶段为90年代-至今，这阶段我国各类结构规范，规程及计算机软件日益完善，钢材产量飞速提高，建筑钢结构迅猛发展。钢结构行业“十四五”规划及2035年远景目标 提出，“到2025年底，钢结构建筑占新建建筑面积比例达到15%以上；到2035年，钢结构建筑占新建建筑面积比例逐步达到40%。”现阶段钢结构建筑保有量巨大，部分钢结构建筑因使用功能的改变和新增荷载导致原钢结构临近或超过设计承载能力，甚至引发严重安全事故，威胁着人民的生命和财产安全。传统钢结构加固有包钢法、增大截面法等，这些方法能够较好的提高钢结构承载性能，但也存在一些问题，例如，新增的钢板会增加结构自重、减少室内使用面积；焊接后的结构会存在不可避免的焊接残余应力并伴随着气孔、夹杂等焊缝缺陷，亟需研究出更加经济、简单、可靠的加固技术。碳纤维 CFRP 材料具有下列显著优点，抗拉强度高（极限抗拉强度近似为Q235钢材的10倍）；因为材料密度小，粘贴在钢梁结构上，所以新增的自重荷载壳可忽略不计；耐腐蚀性能好等。CFRP加固技术是将被加固构件变形产生的荷载传递一部分到纤维片上，通过限制构件的变形达到提高构件承载性能的目的。近年来CFRP加固技术在钢结构领域应用越来越广泛。刘斐然等2研究了 CFRP 材料粘贴层数以及构件不同偏心距对H型钢柱加固后极限承载力的影响，分析得出，CFRP材料加固后的偏心受压H型钢柱承载能力显著提高，但随 CFRP 材料粘贴层数的增加，承载能力提高效率会逐渐降低；碳纤维增强复合材料对偏心距较大试件的加固效果明显强于偏心距较小试件的加固效果。完海鹰等3研究了 CFRP 材料加固持载钢梁承载能力的加固效果，得出了钢梁不同初始荷载会对其加固后抗弯承载力产生影响。通过有限元软件建立与实际试验相符的数值分析模型，对比模拟结果与实验结果，相互验证各自的准确性和有效性。刘俊4开展了 24 根CFRP 加固轴压方钢管柱试验，研究了轴心受压方钢管柱局部失稳的破坏机理、宽厚比对方钢管柱破坏模式的影响、CFRP纵贴和环贴两种加固方向的加固机理和长细比对其极限承载力提高幅度的影响，得到可用于工程设计的量化分析结果。刘浩5借助于正交试验设计，重点研究了影响中长圆钢管柱极限承载力的三个因素，CFRP层数、偏心距和初始应力。经过正交设计的极差数值分析，发现影响承载力变化的因素由主到次的顺序为偏心距、CFRP层数、初始应力。上述文献侧重于加固轴向受压构件承载能力研究，本文通过有限元软件建立“实体-实体”模型，分析CFRP板加固后的H型钢梁抗弯性能改变情况，得到钢梁的屈服荷载、最大使用荷载（即达到钢标10规定的容许挠时的荷载）和弹性阶段刚度，根据研究结果对型钢梁相关加固设计、施工等提供一定的参考建议。1有限元模型建立1.1构件设计本文分析CFRP粘贴层数对钢梁加固后抗弯性能的影响，有限元分析模型及相应构件参数如表1所示。表1构件编号及参数模型编号钢梁1钢梁2钢梁3钢梁4注：钢梁1作为对比试件；A代表钢梁，C代表CFRP粘贴层数。模型名称A-C0A-C1A-C2A-C3梁净跨/mm2800280028002800CFRP层数0123粘贴长度/mm02800280028001.2模型组建钢 梁（截 面 尺 寸 HN400mm200mm7mm11mm）、加 劲 肋（11mm）和CFRP板（1.4mm）均采用有限元软件模型库中的8节点实体单元，每个节点有6个自由度，分别为沿着x、y、z三个方向的位移自由度和绕x、y、z三个方向的转动自由度。实际工程中CFRP板与钢梁粘接处均采用有效的锚固措施，因此本项目暂不考虑CFRP板与钢梁粘接面剥离情况，即采用Tie绑定约束。将钢梁界面定义为主表面，CFRP 板定义为从CFRP板加固H型钢梁抗弯性能分析孙书生1，卢岩2（1.安徽省建筑科学研究设计院，安徽合肥230031；2.安徽毕辉建设工程技术咨询有限公司，安徽合肥230032）摘要：建立4组CFRP板加固H型钢梁的有限元计算模型，通过改变CFRP板粘贴层数得到相应钢梁的屈服荷载、最大使用荷载和弹性阶段钢梁抗弯刚度变化。研究表明：随着CFRP板粘贴层数的增加，被加固钢梁的中和轴逐渐向下移动，屈服荷载、最大使用荷载和弹性刚度均提高，其中屈服荷载提高幅度最大。当CFRP板粘贴层数大于2时，承载能力和抗弯刚度提高效果逐渐降低。关键词：CFRP板；钢梁加固；抗弯性能；有限元分析作者简介：孙书生（1990-），男，安徽安庆人，毕业于安徽建筑工业学院，本科，学士，助理工程师。专业方向：土木工程。建筑结构研究与应用86安徽建筑表面，相互约束。为保证钢梁局部稳定并可靠传递外荷载，在钢梁支座处和跨中荷载作用部位设置加劲肋（肋厚同翼缘厚度，在腹板和翼缘交界处进行切角处理），肋板该措施可以提高钢梁的稳定性和抗扭性能，符合规范构造要求。建立“实体-实体”有限元分析模型，详见图1.a1.d所示。在钢梁两端各建立一个参考点，分别将其支承面与两端节点耦合，本文模型两端约束类型为铰接。在钢梁左端施加x、y、z三个方向的位移约束和z方向转动约束，释放x、y方向转动约束；在钢梁右端施加x、y两个方向的位移约束和z方向转动约束，释放z方向位移约束和x、y 方向转动约束，对钢梁受荷部位施加均荷载，并考虑材料非线性和几何非线性。1.3材料本构关系钢材本文 H 型钢梁材质为 Q235 钢，弹性模量E取206000N/mm2，泊松比v取0.3，屈服强度f取235N/mm2。考虑钢材材料非线性，钢材的单向拉伸试验中应力与应变曲线可分为下列五个阶段，即直线o-a段表示弹性段、曲线a-b段表示弹塑性段、曲线b-c段表示塑性段、曲线c-d段表示应变硬化段和曲线d-e段表示c-d颈缩段。钢材本构关系详见图2.a所示，图中实线为应力-应变关系曲线的简化表示。CFRP本 文 CFRP 弹 性 模 量 E 取165000N/mm2，抗 拉 强 度R为2510N/mm2。因为 CFRP 板的抗拉强度远超过钢材的抗拉强度，因此在建模过程中认为 CFRP 板始终处于弹性阶段，CFRP材料本构关系如图2.b所示。1.4网格划分在模拟分析中，钢构件和 CFRP 板的网格划分不仅要满足计算的精度还要考虑计算结果的收敛性，纵横向网格按近似尺寸 20mm 进行划分，钢梁腹板、翼缘、加劲肋及 CFRP 板厚度方向网格按数量2进行划分，网格划分如图1.e所示。2有限元结果分析提取钢梁的有限元分析结果，利用有限元软件通用后处理器对计算结果以图形的方式显示和输出。有限元分析的应力和位移结果在模型上变化区域可以在云图上显示出来。显示内容包括钢梁的屈服荷载、最大使用荷载和抗弯刚度。图3.a和图3.b显示，当荷载小于屈服荷载时，钢梁处在弹性阶段，荷载与跨中挠度近似为直线关系，取此时直线斜率数值为单位弹性刚度 1，钢梁上翼缘受压、下翼缘受拉，对应点的荷载-应力曲线基本重合，表明未加固钢梁截面受力状态符合平截面假定；当荷载超过屈服荷载时，跨中截面上、下翼缘同时进入塑性阶段，跨中挠度变形迅速增大，塑性变形进一步加大，但荷载数值基本维持不变。图 4.a 显示，A-C0 钢梁和 A-C1A-C3钢梁荷载-跨中挠度曲线变化趋势基本一致，当达到塑性阶段时，跨中位移迅速增大，但由于荷载增长幅度较小，其中弹性阶段曲线近似重合。分析表2中数据可得，A-C1钢梁粘贴1层板时，其屈服荷载提高幅度为7.6%，最大使用荷载提高幅度为2.2%，刚度提高幅度为8%；A-C2钢梁粘贴2层板时，屈服荷载提高幅度为9.5%，最大使用荷载提高幅度为3.5%，刚度提高幅度为10%；A-C3钢梁粘贴3层板时，屈服荷载提高幅度为 11.3%，最大使用荷载提高幅度为4.3%，刚 度 提 高 幅 度 为 10%。随 着CFRP板层数的增加，钢梁屈服荷载、最大使用荷载和刚度均有所提高，其中屈服荷载提高幅度最大，但当粘贴板超过2层时，承载力和抗弯刚度提高效果逐渐降低。对比分析图3.b和图4.b可得，未加固的H型钢梁受荷过程中，上、下翼缘荷载-应力曲线基本重合，中和轴位于钢梁截面中心，符合平截面假定；粘贴CFRP板加固后钢梁下翼缘拉应力较上翼缘压应力小，此时中和轴从截面中心向受拉翼缘移动，且随着粘贴层数增多，表2钢梁承载力有限元计算结果模型A-C0A-C1A-C2A-C3屈服荷载/kN721.2776.2790.0802.3提高率/%7.69.511.3使用荷载/kN684.0698.6707.4713.4提高率/%2.23.54.3刚度1.001.081.101.10提高率/%81010图1四种模型图及钢梁整体网格划分图图2两种材料的本构关系图图4有限元处理结果二图3有限元处理结果一建筑结构研究与应用87安徽建筑中和轴下移幅度增加。3结论采用有限元研究方法，建立“实体-实体”加固分析模型研究 CFRP 板粘贴层数对H型钢梁抗弯性能的影响，主要结论如下。未加固的H型钢梁受荷过程中，上、下翼缘荷载-应力曲线基本重合，中和轴位于钢梁截面中心，符合平截面假定；粘贴 CFRP 板加固后，钢梁下翼缘拉应力较上翼缘压应力小，此时中和轴从截面中心向下移动，且随着粘贴层数增多，中和轴下移幅度增加。随着 CFRP 板层数的增加，钢梁屈服荷载、最大使用荷载和刚度均有所提高，其中屈服荷载提高幅度最大。当粘贴超过2层时，承载能力和抗弯刚度提高效果逐渐降低，建议实际工程设计中粘贴层数不大于3层。本文研究成果为实际工程中采用粘贴CFRP板加固钢结构提供一定的参考依据。参考文献1刘锡良.第十届全国现代结构工程学术研讨会论文集C.北京:工业建筑杂志社,2010.2刘斐然,雷宏刚,完海鹰.偏压作用下碳纤维布加固H型钢柱承载力分析J.科学技 术 与 工 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