碳纤维钢筋混凝土梁开裂性能分析.pdf

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 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 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 aly 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 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 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， 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 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 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单元应力应变关系的弹性矩阵表达式为： D = 1 一 D + 三 ( 1 ) 式中， D 为单元总刚度； D 为混凝 土单元刚 度 ； D r 为钢筋单元刚度。 假定材料初始 阶段是各 向同性 的 ， 服从 V o nM i s e s 屈服准则 ， 文中采用非线性材料模型为双线性随动 强化 ( B i l l n e a r K i n e ma t i c H a r d e n i n g P l a s t i c i t y ) 模 型。 混凝土的开裂模拟通过修正应力 一应变关系， 引 入垂直裂缝表面上的一个缺陷来表示某个积分点上 出现 了裂缝 。当裂缝 张开 时 ， 后 继荷 载产生 了在裂缝 表面 的滑动 或剪切时 ， 引入 一个剪切力传递系数 来 模拟剪切力 的损失 。文 中裂缝 开 展 时传递 系数 = 0 4 ， 裂缝闭合时传递系数卢 =1 0 。 1 2 2 混凝土材料失效准则 A N S Y S中的混凝 土 材料 可 以预测 脆性 材 料 的失 效行为， 同时考虑了开裂和压碎失效模拟。多轴应力 状态下混凝土的失效准则表达式如下 ： F f o S 1 0 ( 2 ) 式 中， F为主应 力 ( o r 17 ， ) 的 函数 ； S为表示 失效面， 是关于主应力及参数 的函数 A N S Y S中采 用 的失 效 面 模 型 是 Wi l l i a m Wa r n k e 五参数强度模型， 模型建立时必须定义。采用 V o n M i s e s 屈服准则 ， 通过相应应力应 变关 系来定义 。 1 3 钢筋混凝土结构的刚度矩阵 在本模型结构中包含 了两类单元 ： 混凝土单元， 钢筋单元。把这两类单元的刚度矩阵加以组合 ， 即得 到结构 的整体刚度矩阵如下 ： K = + 霹 ( 2 ) 2 碳纤维钢筋混凝土梁裂缝数值分析 模型采用三分点加载， 分五级加载 ， 在梁的跨 中 形成纯弯曲。如图 2 所示 ， 计算结果见表 2 。 图2 试件加载示意图( m m) 表 2 碳纤维钢筋混凝土梁开裂荷载和极 限荷载 试验与有 限元计算结果 开裂荷载 P k N 极限荷载 P k N 极限弯矩 帆 k N m 试验 有 限元 试验 有 限元 试 验 有限元 碳纤维钢筋混凝土梁在静载作用下， 施加荷载到 0 1 8 P 左右时 出现第一批裂缝 。一般情 况下 ， 裂缝首 先在跨中或集 中荷载作用点附近出现。碳纤维钢筋 混凝土裂缝 出现特点 ： 裂缝一经出现， 开展宽度较普 通钢筋混凝土梁小 。与普通 钢筋混 凝 土梁相 比， 开裂 时裂缝宽度要 比普通钢筋混凝土梁小， 且开裂荷载明 显大于同等截面同配筋率的普通钢筋混凝土梁 。 跨中弯矩M。 = 3 0 k N n l 时， 各试件梁的最大裂缝 宽度试 验值 与理 论 计算 值 结果 见表 3 。 比较分 析 可 得 ， 试验结果与规范公式计算结果有较 大误 差。而利 张树林 ： 框架结构动力特性测试及抗震性能分析 4 3 框 架结构 动力特性测试及抗震 性能分析 张树林 ( 中国地震局地震研 究所 。 武汉4 3 0 0 7 1 ) 【 摘要】 武汉市某办公楼为六层钢筋混凝土框架结构， 建于上世纪七十年代， 目 前出现局部裂缝， 鉴于其 承担重要科研观测任务， 采用凯尼强震仪器 ， 利用脉动方法进行现场振动测试， 分析获取其固有频率等动力特性： 横向第一阶自振频率约为 2 5 1 H z ， 纵向第一阶自振频率为 3 2 9 H z ； 运用有限元软件 E T A B S建模， 进行模态分析， 与振动测试结果做比较， 进行相应调整。结果显示 ： 脉动测试结果与有限元分析结果较吻合， 结构抗震性能良好， 可继续发挥其科研观测任务。 【 关键词】 结构脉动测试； 自振频率； 抗震分析 【 中图分类号】 T U 3 7 5 4 【 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 3 0 3 结构 自振频率、 阵型及阻尼系数， 是确定建筑物 动力特性的重要参数， 可以作为建筑结构安全评估的 依据。目前建筑结构动力特性测试方法主要有 自由 振动法 、 共振法、 脉动法 ， 其中脉动法以其操作方便、 对建筑无损害等特点被广泛应用。文章采用美国凯 尼公司的 B a s a l t 型强震仪 ， 利用脉动方法进行现场测 试 ， 获取 建筑 物动 力特性 ， 与有 限元 模 型模态 分析做 比较， 并进行建筑抗震分析。 1 工程概况 武汉市某办公楼位于武昌中心， 建于上世纪七十 年代， 其长轴 为东西 方 向 6 2 4 m， 短轴 为南北 方 向 1 4 m， 底层层高4 5 m， 其它各层为 3 6 m， 为混凝土框架 结构 ， 实心砖填充 墙 ， 结构平面示意 图见 图 1 。该 办公 楼担负科研观测任务、 使用功能较为复杂， 对结构振 动要求较为严格。因年代久远， 缺乏结构设计 图纸， 该楼房几何尺寸均为实地测量所得， 各层内侧柱子均 为 4 0 0 m m X 5 5 0 ra m， 外侧柱子 为 4 5 0 m m X l l 0 0 m m， 梁 尺 寸均为 3 7 0 ra m 6 0 0 m m， 受力钢筋均为二级钢， 地震烈 度为六度 区， 场地条件为二类场地 。 2动力特性 测试 用 A N S Y S 有 限元分析软件得到 的结果 ， 与试验值更加 接近， 更能反映工程实际。说明梁体中的碳纤维对梁 体的开裂和最大裂缝具有明显 的影响。 表 3 碳纤维钢筋混凝土梁平均裂缝 间距 比较 3结 语 在 有限元理论 分析的基 础上 ， 研 究分析碳 纤维 钢 筋混凝 土梁 在静力 作用下 裂缝 开展情 况。结 果表 明 ， 相同配筋率下， 碳纤维钢筋混凝土梁抗裂性能高于普 通钢筋混凝 土梁 ， 随着 荷载 的加大其挠 度增 大幅度要 小于普通钢筋混凝 土梁 ， 碳纤 维与混凝 土之 间有很好 的粘结性 ， 对混凝土开裂有一定阻滞效应 。 参考文献 1 陈丽红， 孟宏睿碳纤维在混凝土中的应用 J 混凝土， 2 0 0 6 ， ( 4) ： 3 33 6 2 李建保 ， 王厚亮， 孙格靓， 等 碳纤维复合材料在智能建筑结 构中的应用 J 炭素技术 ， 2 0 0 0， ( 4 ) ： 5 4 5 7 3 张军 用于公路桥梁融雪除冰的导电混凝土研究现状 J 山 西建筑 ， 2 0 0 7， 3 3 ( 3 )： 2 6 72 6 8 4 S h e r i f Y， C h r i s t o p h e r Y T D a dd F e r d o n e t a 1 C o n d u c t i v e c o n c r e t e o v e r l a y f o r b r i d g e d e c k d e i c i n g ： mi x t u r e p r o p o r t i o n i n g o p t i mi z a t i o n a n d p r o p e r t i e s J AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 0 0， 9 7 ( 2 ) 5 Y a c h u a n K u a n g ，J i n p i n g O u S t u d y a n d d e v e l o p me n t o f b i o n i c s e lf r c p a r i n g o f c o n c r e t e c r a c k J A d v a n c e s i n M e c h a n i c s ， 2 0 0 6， 3 6 ( 3 ) ： 4 0 6 4 1 4 6 Z u q u a n T a n g ， J u e s h i Q i a n ， Z h i Wa n g ， e t c S t u d y o f c 0 n d u c t i v i t y o f s t e e l s l a g c o n c r e t e J C o n c ret e ， 2 0 0 6 ，( 6 ) ： 1 21 4 7 陈兵 ， 姚武 ， 吴科如 受 压荷载下碳纤 维水 泥基材料机敏性 能 研究 J 建筑材料学报， 2 0 0 2 ， 5 ( 2 ) ： 2 3 2 6 8 郝文化 A N S Y S 土木工程应用实例 J 北京：中国水利水电 出版社 ， 2 0 0 4 9 王小燕 ，闰博文 ， 姜新佩预应力碳纤维 加 固 R C梁 的有 限元 分析 J 华北水利水电学报 ， 2 0 0 9， 3 0 ( 2 )： 4 0 4 4 收稿日期 2 0 1 3 0 1 0 7 作者简介 卢 召红 ( 1 9 7 6一) ， 男 ， 山东临沂人 ， 硕士 。 研究 方 向： 混凝 土结构 。