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碳纤维布加固混凝土抗剪强度有限元研究

0 引言

混凝土因为其具有良好的材料性能,便于就地取材,而且能与钢筋材料通过两者间的粘结力有效的结合在一起,共同承受剪力变形,可形成强度高,刚度大的结构。但在实际工程中,由于钢筋混凝土梁的抵抗剪力能力不强,在承受集中荷载作用后将会产生斜截面破坏。目前国内外的梁加固方法众多[1],其中主要以:扩大截面面积法、外部粘贴纤维加固法、外包钢加固法、粘钢加固法等为主。本文通过使用ABAQUS软件模拟3种碳纤维布(CFRP)外部粘法加固钢筋混凝土梁,外部粘绑CFRP布加固能显著加强钢筋混凝土梁的承载能力、延性和刚度等,而且CFRP布加固混凝土在很多方面均有使用,现实使用价值很高[2]

1 混凝土梁断裂方式与CFRP抗剪方式

1.1 钢筋混凝土梁的断裂方式

钢筋混凝土试件破坏可分成三个部分:第一部分主要为裂缝逐渐出现阶段;第二部分为裂缝不断发展扩大阶段;第三部分为裂缝继续扩大相连,混凝土被压碎。由于受到外力的作用,钢筋混凝土梁构件除了会出现正截面破坏之外,因为剪力V与弯矩M总是共同处在结构之中,所以在剪力与弯矩联合存在的剪弯范围中还能出现斜向发展的裂纹引起斜截面破坏[3]

1.2 CFRP布加固抗剪方式

采用CFRP布外部粘贴方法加固钢筋混凝土梁,混凝土本身产生开裂前,CFRP布对梁的加固作用表现不显著。混凝土表面斜裂缝显现后,处在斜裂缝表面的CFRP布应力值瞬间扩大,CFRP布受拉,开始参与钢筋混凝土梁的抵抗剪力工作。碳纤维布能限制混凝土的侧向变形,增加混凝土内的骨料咬合力,通过约束或延迟裂缝的扩展来延长钢筋混凝土的工作时间。

2 有限元分析

为深入探讨采用CFRP布粘绑后钢筋混凝土梁抵抗剪力的能力,利用当前国际上通用的有限元分析软件ABAQUS对钢筋混凝土梁的抗剪强度测试[4]。本文设计4组模型,1组模型是未粘绑CFRP布的钢筋混凝土梁,其余3组模型是CFRP布侧面粘绑式、封闭包裹粘绑式和U型粘绑式加固的钢筋混凝土梁。

2.1 数值模拟

本文模型为矩形梁,梁截面b×h=150mm×300mm,梁长 2.5m,上侧钢筋 212(HRB335),下侧钢筋 316(HRB335),箍筋为 8@100(HPB235)。在对混凝土单元进行创立模型时选择实体单元C3D8R,钢筋使用桁架单元创立模型。在梁承受集中荷载处与梁的两端支座处依次添加4个垫块(实体单元C3D8R),用来防止在施加荷载过程中出现应力集中现象。通过Interaction(相互作用)模块,对钢筋单元使用Embedded(嵌入区域约束)将其全部嵌入到混凝土单元中。CFRP使用Tie(绑定限制)捆绑在钢筋混凝土梁的侧表面。将垫块也创建为C3D8R单元,使用Tie(绑定约束)将混凝土与垫块的2个面紧实粘绑在一块。在梁上部2个垫块创建参考点RP-1与RP-2,使用Coupling(耦合约束)定义耦合约束的区域从而确定荷载位置。为了方便定义垫块与混凝土的约束,用分割单元将模型分割,在模型梁端下左右2垫块的中线处创建分割面定义边界条件,添加的边界条件为铰接约束,即选中U1,U2,UR3(有限元模型见图1)。

综上所述,急诊医务人员血源性职业暴露现状不容乐观,医疗机构应重视,并通过教育、考核等方式,提高医务人员对血源性职业暴露的重视,以降低职业暴露发生风险。

图1 有限元模型

有限元模型中采用位移加载的方式施加荷载,通过采用Amplitudes(幅值)建立加载的规律进行加载。

2.2 划分网格

有限元分析软件的本质就是将拥有无限自由度的结构问题转换成有限自由度的结构问题,通过简化分析来得到最终结果。若网格尺寸划分偏大,会影响模型最终结构的精确度或造成错误的分析结果;若网格尺寸划分偏小,虽然会导致最后结果的准确度增加,但是也增加了很多不必要的计算量,耗费大量的时间和空间[5-6]。为了确保模型计算顺利,首先用模型本身适应的网格划分,在能顺利计算后将通过控制布置网格种子的大小去控制模型网格密度。最后,混凝土以0.05单元布种,碳纤维布以0.025为单元布种(有限元模型网格划分见图2)。

图2 网格划分

3.3 有限元模拟分析

经过模拟分析后在可视化中得出未加固钢筋混凝土梁云图与CFRP布加固钢筋混凝土梁云图如图3所示,对比结果见表1。

(一)互动教学的深度不够。课堂互动教学主要体现在教学内容的互动,即师生之间知识信息的流动。精心的设计和严格的安排,结合多年的教学经验,在很大程度上可以帮助教师预测学生在教学过程中的反应,及其对知识水平的吸收。但通常课堂教学是教师不断地提问,学生机械地回答,不能达到良好的教学效果,这是无法实现教师激发学生对问题的深入思考。经常可以看到,在学生回答某些问题时,有很多相同的和重复的,很少见到不同意见和观点的碰撞,所有这些现象表明,课堂教学互动只是一个肤浅的水平,这不能激励学生学习和提高学习效率。

2.5 公主岭霉素对水稻产量和品质的影响 研究表明,公主岭霉素田间喷施可提高水稻产量,对水稻产量的贡献主要表现在促进水稻分蘖和成穗率的提高上[8]。该研究施用公主岭霉素后也取得了增产效果,与前期试验结果一致。公主岭霉素对水稻产量的影响,因品种、栽培方式及气候因素的差异而表现不同。该试验的3个试验点,水稻产量均有不同程度的提高,其中在湖南湘潭,公主岭霉素水提液100倍稀释液浸种直播的水稻增产效果最明显,达8.22%,200倍稀释液水稻增产幅度为3.43%(表4)。

从模拟结果中分析得出,梁上的荷载由初始开始逐渐增大,混凝土表面逐渐出现斜裂缝,应变从裂缝出现位置开始逐渐向两侧扩散。从图中可看出混凝土应变的大小与裂缝出现的位置有关,基本呈斜向展开,斜裂缝主要从支座处开始展开,越靠近梁底端支座处应变值越大,混凝土模型表面应变整体上呈现出倒着的“∧”字形。随着荷载的持续加大,混凝土表面上各处的斜裂缝会不停扩大,随之混凝土表面的应变也不断加大。

图3 有限元云图

表1 分析结果对比

编号 加固方式 开裂荷载/kN 极限荷载/kN 极限荷载增加百分比/%A无10.24 69.51 0 U型粘绑式 11.35 80.37 15.62 C侧面粘绑式 13.74 89.56 28.84 D封闭包裹式 15.62 110.83 59.44 B

从模拟云图中观察3组不同的加固方法,采用CFRP布侧面粘绑加固式的钢筋混凝土梁,在承受载荷后受力明显增强,在混凝土上下表面的CFRP布出现较大应变,而在CFRP布表面其他区域应变值很小,且应变分布向两侧缓慢扩散。使用封闭包裹粘绑式和U型粘绑式的梁,在CFRP布两头处的应变较大,在荷载逐渐增大中,封闭包裹型和U型CFRP布与钢筋混凝土梁产生了较大的偏移。从图中可看出CFRP布表面较大应变值出现在梁的上下两侧,说明在钢筋混凝土梁外侧粘贴的碳纤维布能够和混凝土与钢筋共同工作,共同承受由荷载产生的剪切变形。

通过和未加固钢筋混凝土对比分析,我们发现采用碳纤维布加固后的钢筋混凝土梁,当加固后的结构达到抗剪承载力极限状态时,CFRP布可以很好展现出自身的力学功能,且使用粘绑CFRP布封闭包裹式效果优于侧面粘绑式,侧面粘绑式优于U型粘绑式。

在微电网控制中,集中控制需要通过中央控制器控制所有DG单元的信息,对通信要求高,一旦某条线路发生通信故障,将无法确定其余DG单元的控制指令,情况严重时会造成系统崩溃,可靠性不高。

3 结论

通过有限元ABAQUS软件对3种不同包裹形式加固分析,模拟在集中荷载作用下梁加固前后抗剪承载力,分析得出结论:①应用CFRP布加固钢筋混凝土梁后其抗剪能力得到显著提升,混凝土表面斜裂缝出现时间延迟,裂缝扩展速度变得缓慢,加固后钢筋混凝土梁的抗剪承载能力能达到安全要求;②应用CFRP布粘绑钢筋混凝土梁,模拟效果良好。加固后的梁抗剪能力受CFRP布包裹形式影响,使用粘绑CFRP布封闭包裹式比侧面粘绑式好,侧面粘绑式比U型粘绑式好。

碳纤维布加固作为一种新型的加固材料在前期的研究中就以呈现出巨大的潜力与优势,然而CFRP布加固钢筋混凝土梁的研究不能单纯依靠有限元的模拟,应通过具体实验验证有限元模拟的可行性,况且本文有限元模拟是在理想条件下进行的,未考虑混凝土与钢筋间的粘结力滑动影响与粘贴碳纤维布时所需粘接胶的性能。

参考文献

[1]金晓晨,陈 盈.钢筋混凝土框架结构抗震加固研究现状及展望[J].建筑结构,2018,48(S1):603-606.

[2]高 娜.纤维复合材料在土工工程中的应用[D].西安:西安工业大学,2012.

[3]徐善华,牛荻涛.锈蚀钢筋混凝土简支梁斜截面抗剪性能研究[J].建筑结构学报,2004,25(5):98-103.

[4]王金昌,陈页开.ABAQUS在土木工程中的应用[M].杭州:浙江大学出版社,2006.

[5]石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元实例分析详解[M].北京:机械工业出版社,2006.

[6]尹新生,李燕莹,李百隆,郝 峰,王召震.方钢管梁柱节点有限元分析[J].北方建筑,2018,3(5):9-13.

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