玄武岩片材加固混凝土双向板的非线性有限元分析.pdf

玄武岩片材玄武岩片材加固混凝土双向板的非线性有限元分析加固混凝土双向板的非线性有限元分析 摘摘 要要 本文采用分离式钢筋混凝土非线性有限元方法， 对集中荷载作用下玄武岩纤维加固 板进行了开裂荷载和极限承载力分析， 并与试验结果进行了对比。 混凝土材料采用弹塑性本 构模型；为考虑材料达到极限强度后的性能，用分布裂缝模式模拟混凝土拉裂后的裂缝，不 考虑混凝土的压碎；钢筋采用杆单元模拟。经与试验结果对比，两者吻合性较好。 关键词关键词 玄武岩纤维 非线性有限元 The Nonlinear Finite Element Analysis of Reinforced And Bidirectional Concrete Slabs Strengthened With Basalt Textile Fiber Zhao Jingjing1 Chen Shangjian1 2 Huang cong1 Li Liyuan1 （1. School of Civil Engineering,Wu han University Wuhan 430072） （2Wuhan Changjiang Reinforcement Co., Ltd Wuhan 430072） Abstract Based on the separate nonlinear element method, reinforcement concrete slabs strengthened with CBF sheet and subjected to concentrated load have been analyzed, and has carried on the contrast with the test result. The material model assumed for concrete is elastic-plastic; In order to consider the performance that the material is achieved the ultimate strength, this article uses the distributed crack pattern to simulate crack that the concrete is fractured, and is not considered the concrete crushing; The steel bars are treated as pole elements. The results obtained are in good agreement with experimental results. Key words basalt textile fiber nonlinear finite element 1 前言前言 玄武岩连续纤维 CBF（Continuous Basalt Fiber）是一种无机纤维材料，是以火山爆发形 成的一种玻璃态的纯天然玄武岩矿石为原料， 经高温熔融后， 通过喷丝板拉伸成的连续纤维， 其外观为深棕色，色泽与碳纤维十分相似。玄武岩连续纤维片材具有优异的力学性能、耐高 温、耐腐蚀 、施工方便、来源充足、价格便宜等特点，它将是继碳纤维之后的一种用于建 筑工程的加固材料， 因此用玄武岩纤维加固混凝土双向板的研究对玄武岩纤维在加固实际工 程中的应用具有重要的意义。本文采用有限元分析软件 ANSYS 中的 SOLID65 空间实体单 元、SOLID45 三维实体单元、LINK8 三维杆单元、SHELL41 空间膜单元和 COMBIN39 单 元进行建模分析。用 SOLID65 单元来模拟混凝土板，SOLID45 模拟刚性垫块（防止应力集 中） ，LINK8 模拟钢筋，SHELL41 模拟玄武岩纤维布，COMBIN39 模拟混凝土双向板简支 边的水平约束，用分离法建立钢筋混凝土板的有限元模型。 1 单元类型单元类型 SOLID65 单元具有分析空间构件的功能，可用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型， 该实体模型还可具有拉裂与压碎的性能， 且模拟的结果与实际的结果是比较吻合的。 在混凝 土的应用方面，可用单元的实体性能来模拟混凝土。该单元具有 8 个节点，每个节点有 3 个自由度，即 x，y，z 3 个方向的线位移。 SOLID45 单元可用于三维实体模型.该单元具有 8 个结点，每个结点有 3 个自由度，即 x，y，z 3 个方向的位移。这个单元具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形，大应变功 能。 LINK8 单元是一种三维杆单元，可承受轴向的拉压应力，不抗弯，具有塑性、徐变、 膨胀、应力刚化、大变形等特性。LINK8 单元有两个节点，每个节点有三个平动自由度, 即 x，y，z3 个方向的线位移。 SHELL41 单元是一种空间膜单元，可以较好地模拟加固材料单向受力的性能。分析时 不考虑加固材料与混凝土界面处地相对滑移，直接将单元结点耦合在一起进行计算 COMBIN39 单元是一种可以考虑非线性的弹簧单元，通过定义实常数可以模拟一维、 二维和三维的轴向拉压单元。 2 有限元模型的建立有限元模型的建立 图 1 为玄武岩纤维加固板的有限元模型，该板长 1500mm,宽 1500mm，厚 70mm，板底 双向配置钢筋，直径为 6mm，间距为 140mm，四边简支，板中央加一集中荷载，并在集中 荷载作用处垫上刚性垫块，防止应力集中。混凝土双向板由于单元数较多，并且荷载和边界 对称，为节省计算时间，可取板的 1/4 对称模型分析。在对称边加对称约束，在简支边除 加竖向约束外，还需加一定数量的弹簧单元来模拟水平弹簧支座，以考虑水平约束的作用。 这是因为对于四边简支的整块板来说， 简支边上必须作用有一定的水平约束， 才能保证整块 板的几何不变性。故取 1/4 对称模型后，简支边也必须考虑水平约束的作用，否则模型是 几何可变的。多次有限元试算也表明，如果不加水平弹簧单元，则计算至接近混凝土开裂时 模型中就会出现某个节点的水平位移超限，使得计算无法进行下去。 图图 1 1 玄武岩纤维加固玄武岩纤维加固混凝土混凝土板的有限元模型板的有限元模型 本文采用分离模型，并假定钢筋和混凝土之间粘结良好，两者无相对滑移，将钢筋与混 凝土分别用三维实体单元建成，将钢筋离散地分布在混凝土板中，如图 2 所示。 图图 2 分离模型局部视图分离模型局部视图 3 有限元计算有限元计算 本文模拟计算所用混凝土应力应变曲线为德国 Rusch 模型，混凝土单轴抗拉强度为 1.72MPa，单轴抗压强度为 24.8MPa，泊松比取 0.2，弹性模量取混凝土应力应变曲线原点 处切线模量，同时考虑了混凝土的裂缝张开剪力传递系数 t 和裂缝闭合剪力传递系数 c ， 分别取5 . 0 t 、9 . 0 c ；混凝土中钢筋的应力应变曲线为理想弹塑性曲线，弹性模 量为 2.1105MPa，泊松比 0.3，屈服强度为 235MPa；加固材料玄武岩纤维片材假定为线弹 性材料，弹性模量为 147GPa，抗拉强度为 2667MPa；混凝土的本构关系为多线性等向强化 （MISO） ，钢筋的本构关系为双线性等向强化模型(BISO)。在此计算了这种模型，并将计算 结果与试验结果1进行了对比。 4 计算结果分析计算结果分析 4.1 开裂荷载和极限荷载开裂荷载和极限荷载 在 ANSYS 分析中，混凝土的开裂依据采用的是最大主拉应力准则，即认为当最大主拉 应力达到混凝土的抗拉强度 t f时混凝土开裂。由此确定的开裂荷载、极限荷载分析值和试 验值的比较见表 4-1、42。 表表 41 开裂荷载开裂荷载 ANSYS 分析值与试验值的比较分析值与试验值的比较 试件 ANSYS分析值Fcra（KN) 试验值 Fcrs（KN） 对比板 1 10.64 10 对比板 2 10.64 12 对比板 3 10.64 12 CBF 加固板 1 12.38 15 CBF 加固板 2 12.38 15 CBF 加固板 3 12.38 15 表表 4 42 2 极限荷载极限荷载 ANSYSANSYS 分析值与试验值的比较分析值与试验值的比较 试件 ANSYS 分析值 Fua（KN) 试验值 Fus（KN） 对比板 1 37.2 34 对比板 2 37.2 35 对比板 3 37.2 36 CBF 加固板 1 49.6 48 CBF 加固板 2 49.6 48 CBF 加固板 3 49.6 45 由表 41 可以看出，开裂荷载的 ANSYS 分析值与试验值吻合较好。并且分析值小于 试验值，这是由于实际上受拉区混凝土存在塑性变形，使得混凝土的抗拉强度由 t f提高到 t f（为受拉区混凝土塑性影响系数，其值大于 1） ，而在 ANSYS 分析中没有考虑此影响， 0 10 20 30 40 50 60 051015202530 挠度(mm) 荷 载 /KN 试验值 ANSYS 0 10 20 30 40 50 60 010002000300040005000 应变（10-6） 荷 载 /KN 试验值 ANSYS 故分析值偏小。 4.2 4.2 荷载荷载挠度曲线和挠度曲线和荷载荷载钢筋钢筋应变应变曲曲线线 玄武岩纤维加固板的荷载挠度、 钢筋应变的试验曲线与 ANSYS 分析曲线的比较如图 3、图 4 所示。由图可知，ANSYS 分析曲线的形状与试验曲线大致相似。在板开裂之前，挠 度值很小，荷载与挠度大致成线性关系，裂缝出现以后，板的抗弯刚度显著降低，曲线发生 突变。随着荷载不断增大，挠度的增长速度加快。在板内钢筋即将屈服时，曲线有一转角。 并且在 ANSYS 分析中板的破坏也属于变形破坏 （挠度接近 L0/50） ， 这与试验的破坏形态是一 致的。钢筋应变曲线的形状也大致相似。 同一荷载值所对应的 ANSYS 分析挠度、钢筋应变略小于试验挠度，这主要是由于实际 上受拉区混凝土存在塑性变形，使得混凝土的抗拉强度由 t f提高到 t f（为受拉区混凝土 塑性影响系数，其值大于 1） ，而在 ANSYS 分析中没有考虑此影响，故分析值偏小。 图图 3 玄武岩纤维片材加固板玄武岩纤维片材加固板 图图 4 玄武岩纤维片材加固板玄武岩纤维片材加固板 荷载荷载挠度图挠度图 荷载荷载钢筋应变图钢筋应变图 5 5 结论结论 根据以上各项的比较结果，我们可以得出如下结论： （1）混凝土双向板的 ANSYS 有限元分析模型是正确的，且精度满足要求，可以用于实 际工程的分析研究。 （2）由于玄武岩纤维加固板的受力状态比较复杂等一系列原因，目前对玄武岩纤维加 固板的研究还存在许多困难.例如:钢筋与混凝土之间的粘结破坏机理、 混凝土与玄武岩纤维 布之间的粘结破坏机理还有待深入研究等等。 本文得出的结论可为今后研究玄武岩纤维加固 混凝土结构提供一些参考依据。 参考文献参考文献 1 任重，ANSYS 实用分析教程。北京：北京大学出版社，2003 年。 2 祝效华，余志祥。ANSYS 高级工程有限元分析范例精选。北京：电子工业出 版社，2004 年。