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碳纤维加固预应力混凝土力学性能分析

 论文栏目:力学性能论文     更新时间:2017/6/8 10:12:48   

摘要:外贴碳纤维布加固法是近几年应用于公路桥梁加固的一种新兴方法,为研究不同方式粘贴碳纤维对预应力混凝土连续梁桥受力性能及剪力滞效应的影响。本论述以在役某公路预应力混凝土连续箱梁桥为研究背景,利用通用有限元程序ANSYS建立实体有限元模型,分析了两种不同加固方式情况下,梁体分别承受预应力、自重、车辆荷载及以上三种工况组合作用下控制截面的剪力滞效应变化规律。通过分析得出结论:采用底板满铺碳纤维和底板纵向间隔粘贴碳纤维两种方式,均对剪力滞效应有影响,而底板满铺对剪力滞系数影响较显著,该结论为以后设计类似工程提供了理论依据。

关键词:碳纤维;连续梁桥;有限元分析

引言

目前国内外针对CFRP布加固混凝土梁的研究主要集中在简支梁方面,预应力混凝土连续梁研究开展比较少[1-3],对于粘贴CFRP布对预应力混凝土连续梁剪力滞效应的影响更是鲜有报道。因此,本论述借助有限元分析软件ANSYS,以等高度四跨预应力混凝土连续箱梁标准设计为工程背景,计算两种不同抗弯加固方式对连续梁剪力滞效应的影响,得出加固后剪力滞效应的变化规律,研究成果为以后预应力混凝土连续箱梁的设计与施工提供参考。

1有限元模型的建立

本论述以某高速公路上在役桥梁为研究对象,该桥上部结构采用20m+25×2m+20m预应力混凝土连续箱梁,借助于有限元软件ANSYS,取上部结构进行有限元分析。

1.1模型概况

该桥主梁采用斜腹板单箱单室截面,梁高1.15m。梁宽10m,顶板中间厚为0.274m,顶板悬臂自由端厚度为0.15m,顶板加腋尺寸为0.75×0.15m;底板厚0.2m,底板加腋尺寸为0.2×0.2m,梁体跨中横断面图见图1所示,桥梁平面示意图见图2所示。全桥共设置了5处横隔板,分别在5个支座的位置处。端支座处横隔板厚为1000mm,中支座横隔板厚为1500mm。

1.2单元选取

混凝土用SOLID65单元来模拟,混凝土单元的本构关系依据文献[5]通过数据表形式输入,预应力钢筋用LINK10单元来模拟。CFRP布采用shell41单元模拟,该单元只能承受拉力作用,没有抗弯、抗压能力,应力—应变关系采用理想弹性模型[6]。

1.3材料参数

混凝土采用C40混凝土。重力密度γ=26.0kN/m3,弹性模量Εc=3.45×104MPa,泊松比ν=0.2;预应力钢筋抗拉强度标准值为fpk=1860MPa,公称直径为d=15.2mm,弹性模量Ep=1.95×105MPa,泊松比ν=0.3,线膨胀系数α=1e-5;碳纤维材料采用南京ManKaTe公司的CFRP布,具体参数见表1所示。

1.4有限元模型的建立

为了研究不同方式粘贴对CFRP布加固预应力混凝土连续梁桥对剪力滞效应的影响,设计了两种CFRP布加固钢筋混凝土梁模型:(1)碳纤维布梁底全部粘贴模型;(2)碳纤维布梁底纵向间隔1m粘贴模型。两种方案粘贴CFRP层数均为1层。全桥共有节点16278个,单元47910个。全桥有限元模型见图3所示。

2有限元结果分析

为了分析粘贴CFRP布后剪力滞效应的变化规律,本论述考虑四种工况:(1)腹板束预应力;(2)恒载;(3)静力荷载;(4)以上三种工况的荷载组合。

2.1腹板束预应力作用下粘贴CFRP布纵向应力的变化情况

为扣除预应力损失后的有效预应力),计算与预应力产生应变相当效果的降低温度差。最终得到未粘贴、底板满铺以及底板纵向间隔1m粘贴CFRP布情况下各控制截面顶板的纵向应力变化曲线及剪力滞系数。由图4~图5及表2可以看出,在腹板曲线布筋施加预应力的情况下,在边跨跨中截面和中跨跨中截面处表现为负剪力滞,而在支座处则表现为明显的正剪力滞。在底板满铺碳纤维情况下,各控制截面的剪力滞系数均有不同程度的减小。

2.2恒载作用下粘贴CFRP布纵向应力的变化情况

对模型施加恒载(仅考虑自重),得到未粘贴、底板满铺以及底板纵向间隔1m粘贴CFRP布情况下各控制截面的纵向应力变化曲线及剪力滞系数。由图6~图7及表3可以看出,在受恒载的情况下,在边跨跨中顶板截面和中跨跨中顶板截面处,底板满铺粘贴碳纤维时剪力滞系数变化比较明显。在支座处表现为明显的正剪力滞,但粘贴碳纤维后,各控制截面的剪力滞系数却无明显变化。2.3汽车荷载作用下粘贴CFRP布纵向应力的变化情况对模型施加车辆静力荷载。选择的加载车辆标准载重40t(前轴重8t,中轴和后轴各16t)[8]。该车型为3轴,车长8.30m,车前缘距前轴1.6m,前轴距中轴3.50m,中轴距后轴1.30m,后轴距车后缘1.90m,轮中心距1.80m。由图8~图9及表4可以看出,在中跨中支座表现为明显的正剪力滞,碳纤维的粘贴均降低了剪力滞系数,但两种加固方式并无明显差别。

3结束语

就本论述加固方式而言,粘贴碳纤维后,控制截面的剪力滞系数均有所下降。采用底板满铺和底板纵向间隔1m粘贴碳纤维两种方式,较前者而言,后者剪力滞系数变化并不明显。在预应力作用下,碳纤维的粘贴对支座处的剪力滞系数影响较大;而在自重作用下,对跨中的影响较大;在中跨跨中施加车辆荷载,支座及跨中部位的剪力滞系数均有明显下降。荷载组合的情况下,粘贴碳纤维后对支座处的剪力滞系数影响较跨中处大。

参考文献

[1]高仲学,王文炜,黄辉.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯承载力计算[J].东南大学学报(自然科学版),2013,43(1):195-202.

[2]牛斌,杨梦蛟,马林.预应力混凝土宽箱梁剪力滞效应试验研究[J].中国铁道科学,2004,25(2):25-30.

[3]周倩茹,吴定俊,李奇.预应力薄壁箱梁受弯剪力滞效应分析[J].石家庄铁道大学:自然科学版,2013,26(4):20-26.

[4]项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京:人民交通出版社,2001.

[5]JTGD62-2012.公路钢筋混凝土及预应力混凝土及桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社,2012.

[6]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.

[7]JTG/TJ21—2011.公路桥梁承载能力检测评定规程[S].北京:人民交通出版社,2011.

[8]孙照玉,刘建勋,赵文斌.汽车荷载作用下连续箱梁桥的剪力滞效应分析[J].兰州工业学院学报,2015,22(5):27-31.

[9]李清富,鲁博文,周国栋.荷载作用位置对箱梁剪力滞效应的影响[J].郑州大学学报(工学版),2011,32(2):60-61.

作者:王东昀 单位:兰州铁道设计院有限公司

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