碳纤维增强复合材料约束混凝土的温度应力分析.pdf

2 0 1 0年第 5期 1 0月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 0 N0 5 Oc t o b e r 碳纤维增强复合材料约束混凝土的温度应力分析 刘华新 ， 谷志民 ， 毕 重 ， 王学志 ( 1 辽宁 业大学土木建筑工程学院 ， 锦州 1 2 1 0 0 1 ； 2 锦州市城乡建筑设计有限责任公司 ， 1 2 1 0 0 1 ) 摘要 ： 混凝土 与碳纤维的热膨 胀系数 不问， 在温差作用下 ， 两种材料各 自的 自由变形 受到约 束， 从而 产生 了温度应力 。 通常 ， 温度应力随着 温差增大而增大 。 应用 AN S Y S软件分别对降温温差 3 O 、 4 O 、 5 O c C、 6 0 时碳纤维布约束混凝 土的温度应 力进行 了 分析 ， 以期 对寒冷地 区用碳纤维增强复合材料加固混凝土结构时， 对温度应 力的控制有所帮助。 关键词 ： 碳纤维增强复合材料 ； 温度应力 ； 约束混凝土 Ab s t r a c t ： e e a o s e t h e t h e r ma l e x p a n s i o n e o e ff i c i e n t i s d i ff e r e n t b e t we e n CF RP a n d e o n e r e t e， t e mp e r a t u r e s t r e s s i s p r o d u c e d wh e n t h e fle e fi ) r m d e f o r ma t i o n s o f t wo ki n d s o f ma t e r i a l s a r e c o n fin e d u n d e r t h e te mp e r a t u r e d i f f e r e n c e Us u a l l y ，t e mp e r a t u r e s t r e s s i n c r e a s e s w h e n t h e t e r ri p e r a t a r e dif f e r e n e e i n c r e a s e s By l b e ANS YS s o f t wa r e u n d e r t he c o o l i n g t e mp e r a t u r e d i f f e ren c e o f 3 0 4 0 o C5 0 o C a n d 6 0 t h e t e mp e r a t u r e s l r e s s o f r e i n f o r c e d e o n f r e l e c o l u mn s c o n fi n e d wi h CF RP s i s a na l y z e d Th e p u r p o s e i s t h a t i t c a n b e h e l p f u l t 0 t h e c o nt r o l o f t e mp e r a t u r e s t r e s s e s o t r e i n f o r e e d e o n e r e t e c o h u n n s c o n fin e d wi t h CFRP s i n c o l d a r e a s Ke y wo r d s： C FRP ； l e mp e r a t u r e s t r e s s ；C o n fi n e d Co n c r e t e 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7I 2 0 1 0 ) 0 5 4 2 0 3 0前 言 混凝 土与 碳纤 维两 种材料 的热 膨胀 系 数大不 相 同 ， 混 凝土 的热膨 胀系数 为 ( 1 0 1 5) 1 0 o C， 而碳 纤 维的热膨胀 系数 为( 2 2 3 2) x l O - 6 C( 垂直 于纤 维方 向) 和 ( 一 0 7 2 1 4 ) 1 0 ( 平行于纤维方 向 ) 。在低温情 况下 ， 碳纤维有 膨胀的趋势 ， 但混凝 土抑制 了其膨胀 ， 对碳纤维产生 压力 ； 同时 ， 混 凝土有 收缩 的趋 势 ， 而碳 纤维抑制了其收缩 ， 这就导致 了混凝土产生拉 应力。 在 温差作用下 ，混凝土和碳纤维两种材料各 自的 自由变 形受到约束 ， 从而产生 了温度应力。 AN S YS软件广泛应用 于土木工程等诸 多领域 ， 本 文 应 用 A N S Y S软 件 分 别 对在 降 温 温 差 3 0 、 4 0 、 5 0 、 6 0 作 用下 的碳纤维 约束 混凝 土棱柱 体进 行 r 温度应力分 析 ， 求解 出了最大温度应力。 本研究 的 目的 是在寒冷地 区用碳纤维增强复合材料加 固混凝土结构 时 ， 对 温度应力 的控制有所帮助。 1 热分析步 骤及单 元类型 的选择 采用 间接耦合法对碳纤维约束混凝 土棱柱 体进行 热分 析 ， 得到节点温 度 ， 然后重 新进入前 处理器 ， 将 热 单元转换为相应的结构单 元 ，把热分 析得到的温度作 为载荷施加在结构单元上 ，最后对 试件 的应力 和变形 进行求解1 2 1 。 对混凝土材料进行热分析时选用 S o l i d 7 0单元 ， 该 单元 为 8节点六面体单元 ， 只有一 个 自由度( 温度 ) ， 适 用于 三维瞬态和稳态热分析 ，与它对应 的结构 分析单 基金项 目： 辽宁省教育厅 高等学校科研基 金资助项 目( 2 0 0 8 3 l 7 ) 一 42一 元为 S o l i d 4 5 ， 该 单元 为 8节点实 体单 元 ， 每个节 点有 三个 方向的平动 自由度 ， 具有蠕变 、 塑性 、 徐变 、 应力刚 化等性 能。两种单元的几何形状及节点位置如 图 1 和 图 2所示 。 Z f x一 图 1 S O L I D 7 0几何形状 及节点位 置 单 元坐标 系 【 显示 为 K EYOP T( Z x一 K Y K 图 2 S O L I D 4 5几何形状及 节点位置 对于碳纤维材料 ，热分析 时采用 四节点四边形单 元 S h e l l 5 7 ， 只有 一个 自由度 ( 温度 ) ， 适 用于 三维稳态 和 瞬态 分 析 ，与 其 对应 的 结 构分 析 单元 为 S h e l l 6 3 。 刘掼新， 谷志民， 毕重， 等 碳纤维增强复合材料约束混凝土的温度应力分析 S h e l l 6 3为 四节点 四边 形单元 ， 有 六个 自由度 ( 三 个平 动 自由度 ， 三个转动 自由度 ) ， 而且具有薄膜弯 曲功能 ， 支持应力 刚化 ， 大变形 。 两种单元 的几何形状及节点位 置如图 3和图 4所示 。 X X 图 3 S E L L 5 7几何形状及节点位置 Zl J 图 4 S E L L 6 3几何形状及节点位置 2温 度应 力分 析 碳 纤维布 和混凝 土 的有 限元 分析 模型 如 图 5 ( a ) 和 ( b ) 所 示 。 ( a)碳 纤 维 单 兀 ( b)混 凝 土 单 7 1 2 图 5 碳纤维增强复合材料 和混凝 土单元 2 1 截面温度 试 验 设 计 模 拟 实 际 情 况 ，试 验 模 型初 始 温 度 2 0 ，温差分别为 3 0 、 4 0 、 5 0 、 6 0 q C 时对应 的最低 温度分别 为一 1 0 、 一 2 0 、 一 3 0 o C、 一 4 0 ， 恒温 时 间选择 为 9 h 。 以降温 6 0 为例 ， 由图 6 图 9可知 ， 恒温 9 h 后 ， 碳纤维约束混凝土棱柱体 内外温度基本一致 ，达到预 图 7 降温 3 h试 件截面温度 州 一 誊 。 图 8降 温 6 h试 件 截 面 温 度 9降 温 试 件 截 向 温度 定的降温要求p 。 2 2 v o n Mi s e s应力分析 建模分析时考虑较不利 的情况 ，即混凝土 的热膨 胀 系数取 1 5 x 1 0 - 5 C，碳纤维增 强复合材料 热膨 胀系 数取一 1 4 x 1 0 I C， 混凝土强度等级按照 C 3 0计算 。 在 降 温温差 分 别为 3 0 c C、 4 0 、 5 0 、 6 0 时 对模 型进 行热 分析 ，将热分析结果作为载荷施加在相应 的结构单元 上 ， 再 对模 型进 行结构分析 ， 利用结构 的对称性 ， 取一 半 试件 进 行 温度 应 力分 析 ，混 凝 土和 碳纤 维 的 V O II Mi s e s 应力如图 1 0 图 1 3所示 。 图 l 0 3 0 温差作用下混凝 凝 土 的 v o n Mi s e s 应 力 图 1 2 6 0 温差作用下混凝 凝土的 v o n Mi s e s 应力 图 1 l 3 0 温差作用下碳 纤 维 的 y o n Mi s e s 应 力 图 1 3 6 O 温差作用下碳 纤维 的 V O fl Mi s e s应力 由图 1 0 图 1 3 可知见 ， 随着降温温差 的增大 ， 混凝 土和碳纤维 的温度应力不断增大 。但降温使得混凝土 产生 的温度应力相对较小 ，而碳 纤维产生 的温度应力 较大 。 2 3 Z向温度应力分析 降温情况下 ，有 限元分析 的 z 向温度应力 可以更 直接的反应 出混凝 土和碳纤维两种材料 因热膨 胀系数 的差别产生 的温度应力 。由图 1 4 图 1 7可知 ， 降温作 用 使得 混凝 土 和碳纤 维 的接触 面产 生不 同 的温度应 力 ，混凝土表面产生 了拉应力 ，而碳纤维产生 了压应 力 ， 并且 随着 降温温差 的增 大 ， 混凝土表 面的拉应力 和 碳纤维 的压应力也逐渐增大 。 43 2 0 1 0年第 5期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 5期 3 图 1 4 3 0 o C 温差作用下 混凝土的 Z向应力 图 1 5 3 0 温差 作用 下 碳纤维的 Z向应力 温差计算结构分析 温度应力有 限元分析如表 1所示 。 表 1 温度应 力计算结果 由表 1可知 ， 随着 温差 的增大 ， 温度应力也 随之 增 大 ， 当降温温差 6 0 时 ， 碳纤 维布 的最 大 y o n Mi s e s 温 度 应力 达到 1 8 8 O MP a ，碳 纤维 布 的最大 z向应 力 达 到一 1 8 6 0 M P a ，其 值可 以达到高弹模 碳纤维 设计强度 ( 设计强度为 2 0 0 0 MP a左右 ) 的 9 左右 。因此 ， 在进 行 结构构件的加固过程中考虑温度应力对其加 固可靠性 的影 响是非常必要的 ，建议粘贴碳纤维 的时间宜选 在 春秋 温度较 适 中的季节进 行 。在 一年 内温差达 到 6 Q 以上的寒冷地区 ，进行碳纤维约束混凝土结构构件 时 ， 应充分考虑温度应 力问题 。 4结论 碳纤维增强 复合材料 由于具有 优异 的力学 性能 ， 在结构加固领域应用广泛 ，但在应用时普遍对温度应 图 】 6 6 0 o C 温差作用下 混凝土 的 Z 向应力 图 1 7 6 0 0 C 温差作用 下 碳纤维的 z向应力 力的问题 考虑较 少。通常 ， 在降温温差作用下 ， 碳纤维 增强复合材 料受压 ， 而界 面处混凝 土受拉 ， 因此 ， 在 寒 冷地 区用碳纤维增 强复合 材料加 固混凝土结 构肘 ， 应 对 温度应力予 以充分 的重视 。如果忽视温度应力 的影 响 ， 在外荷载及温度次 内力 的共 同作用下 ， 会影 响混凝 土结构 的安全性 ， 甚至影响其使用寿命。 特别是在我 国 北方地 区， 由于温差较大 ， 用碳纤维增强复合材料加 固 混凝土结构时 ， 应尤其注意温度问题 ， 以免造成生命和 财产损失 。 参考文献 ： 1 H o m a m S MF i b r e r e i n to r c e d p o l y me r s ( F R P ) a n d F R P - c o n c r e t e c o m p o s i t e s s u b j e c t e d t o v a r i o u s l o a d s a n d e n v i r o n m e n t a l e x p o s u r e s D Ca n a d a ： Un i v e r s i t y o f T o r o n t o ， 2 0 0 5 2 龚曙光 A N S Y S基础 应用及规范解析 M】 北京 ：机械： 业 出版 社 ， 2 0 0 3 3 】 刘华新， 王丹丹， 孙荣书 碳纤 维布加 固量对混凝土柱体约束 效果 的试验研 究 J J 混凝土 -5水泥制品 2 0 0 8 ( 5 ) ： 4 0 - 4 3 【 4 J王丹丹 玻璃纤 维约束混凝 土柱体 的试验研究 【 D 】 硕士学位论 文 辽宁工 、 I 大学 ， 2 0 0 8 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 7 1 6 作者简介 ： 刘华新 ( 1 9 6 7 一 ) ， 男 ， 教授 ， 博士。 通讯地址 ： 辽宁省锦州市 ， 辽宁工业大学土木建筑工 程学 院 联 系电话 ：1 3 9 4 0 6 0 9 2 0 6 E-mail ： Igl iuh u a xins i n a c o m 逝业妇 妇盘窜 船妊 船船 逝业业 船妇逝逝 鲁 章妇 鲁妇 妇 船 窖嵌逝妇妇逝 章 啦逝逝 全国中文核 心期刊 刊号I S S N 1 O O 0 8 0 9 8 全国性建材 技术 期刊 C N 3 2 一l 1 4 4 T D 非金属矿 2 0 1 1 年度征订启事 非金属矿 杂志 ( 国际标准大 l 6开 ) ， 是 l 9 7 8年创刊的、 国内外公开发行 的全国 中文核心期刊和全国性建材 技术期刊之一 。主要报道 国 内外非金属矿 以及建材原料矿产等开发利用、 制品、 选矿 深加工、 采矿 以及 当前行业管理 、 设备研制、 市场等方面的有关论 文、 科技成果 、 生产经 验、 综合评述等 ； 辟有试验研究 、 开发应用、 选矿与深加工、 采矿 、 各地 非金属矿 、 环保工程 、 设备仪器、 摩擦摩阻材料、 国内外信息及动态等专栏。 非金属矿 刊发的论 文为美国 S C I和 C A 、 曰本 科技 文献速报 、 俄 罗斯 文摘 等 国际知名检 索刊物收录 ， 海外 发行包括美 、 英、 臼、 俄 、 德、 芬 等国及港 台地 区。 为方便用户与生产厂家， 本 刊辟有牵线 搭桥专栏 ， 并承接国 内外广告业务。欢迎利用， 欢迎 刊登广 告。读 者可据此获得有关技术转让 与咨 询、 仪 器设备 以及非金属矿产品等信息。 本刊主要面向非金属矿及有关的生产、 设计 、 科研 、 机关 、 院校、 基建、 地质勘探及 乡镇企 业等单位 ， 读者对 象主要为科技人员、 领导干部 、 院 校 师生和企业管理工作者。 本刊为双月刊 ， 邮发代号 2 8 8 4 。凡单位或个人均可直接向 当地邮局订阅。如 邮局订阅不便 ， 亦可向本刊编辑部订 购。每=ll l1 0 0 O元 ( 含 邮资 2 0 O元 ) ， 全年定价 6 O O O元 ( 含邮资 1 2 O 0元J 。本刊 已出版各期 尚有部分余额 ， 需要 者可速 函本部联 系。 编辑部地址 苏州市三香路 9 9 9号 ， 苏州非金属矿工业设计研究院内。邮编 ： 2 1 5 0 0 4 。电话 ： O 5 l 2 - 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