GFRP的有限元模型和碳纤维增强塑料加强钢筋混凝土梁

文摘

开发三维有限元(FE)模型来模拟钢筋混凝土梁的行为全面加强与玻璃和碳纤维增强塑料制成表(unstrengthened控制梁、flexural-strengthened梁shear-strengthened梁,梁抗剪和抗弯加固)。FE模型使用eight-node等参元素与抹混凝土开裂的方法和三维分层元素模型的玻璃钢复合材料。从全面分析结果相比,获得的数据通过线性和非线性梁测试范围失败。发现有限元模型可以确定定性趋势中观察到的结构行为全面梁。预测裂纹开裂模式类似的失效模式观察全面梁测试。

1。介绍

纤维增强聚合物(FRP)复合材料已被用于加强构件的钢筋混凝土桥梁结构缺陷或功能过时由于使用或考虑增加载荷的变化(1]。许多研究人员发现,玻璃钢复合材料应用于这样的成员提供可靠的和成本有效的康复(1,2]。在美国,ACI Committee 440 has developed design recommendations for FRP application to reinforced concrete members [3]。

在某些情况下可用的设计和简化分析工具不能提供完整、准确的预测结构为钢筋混凝土成员行为与FRP复合材料增强,在一定程度上,这些方法是最初行为的钢筋混凝土结构。为了克服这些困难,采用有限元方法(FEM)在本研究中分析FRP-strengthened钢筋混凝土梁的行为。钢筋混凝土的复杂的行为进行建模,非齐次,非线性,和各向异性,在有限元分析是一个困难的挑战。最早期的钢筋混凝土有限元(FE)模型是基于一个预定义的裂缝模式(4]。在这种方法中,所需的拓扑模型的变化随着负载的增加;因此,缓解和速度分析是有限的。抹破解方法还介绍了使用等参的配方代表了混凝土作为正交各向异性材料。抹开裂的方法克服这些限制,广泛采用了预测混凝土的非线性行为(5]。

有限元分析(FEA)进一步复杂FRP-strengthened钢筋混凝土梁。玻璃钢复合材料正交的材料有两个成分,即加强和矩阵阶段。纤维增强相材料,通常硬更强,而矩阵相材料通常是连续的,那么僵硬,弱。一些研究人员已经研究了行为和建模与FRP复合材料加固的钢筋混凝土构件。eight-node使用等参有限元的方法元素和涂抹裂缝建模的具体方法和二维板元素(6)或桁架元素(7玻璃钢复合材料)。

在这篇文章中,ANSYS [8)是用来模拟四个全面的钢筋混凝土梁的行为,它复制横向梁从历史性的马尾河大桥9),位于哥伦比亚河高速公路附近的俄勒冈州的波特兰市。有限元模型使用一个抹混凝土开裂的方法和三维模拟FRP复合材料分层的元素。混凝土和玻璃钢之间完美的债券是假定根据观察结果(没有发生脱胶实验梁失败)。

2。实验

俄勒冈州立大学进行的实验中,四光束(9)进行了测试。这些复制横束马尾溪桥,建于1914年,仍然运作。最初的横向梁是没有剪切钢筋构造。外部强化玻璃钢复合材料被用来增加梁的强度由于桥的历史本质,经济学,和时间约束的康复工作。

四个全面的钢筋混凝土梁测试比较行为:()一个unstrengthened(控制)梁;()flexural-strengthened光束;()shear-strengthened光束;(剪切和弯曲梁加强。所有梁有相同的几何和钢筋。梁尺寸是305毫米(12英寸)宽,770毫米(30)深,长6095毫米(120年)。三个主要的抗弯钢钢筋(号)被接近底部的光束扩展完整的长度。两个钢钢筋(no.19)被添加在跨中底部附近的脸,弯顶面两端。两个小钢钢筋(第16号)也提供接近压缩的脸。玻璃纤维增强聚合物(GFRP)表应用于双方和包装不断shear-strengthened梁的底部(3和4)减轻剪切缺陷,和碳纤维增强聚合物(CFRP)床单上flexural-strengthened梁的底部(2和4)提高抗弯强度。应变仪策略性地放置,地点稍后讨论。直接电流差动传感器(DCDTs)被用来收集在跨距中点变位。图1显示了梁的细节图1(一)显示了几何和钢筋细节,而数字1 (b),1 (c),1 (d)显示了FRP加固方案的弯曲、剪切、弯曲+剪切试验梁,分别。试验梁只是支持和测试在第三点弯曲(两个支持和两个负载分)如图1(一)。

梁加载了2670 kN鲍德温液压试验机设计为self-reacting能力。基于经验和具体的调查在这个项目中,当加载梁跨度超过机器的负载框架,可以应用总力712 kN。的极限弯曲和剪切梁测试期间达成。

从实验得出结论,玻璃钢在剪切和弯曲两个独立和结合系统不仅大大增加了负载梁的承载能力,但也改善延性(失败)更大的变形量。增加剪切GFRP表补偿缺乏箍筋和改变失败的模式从对角张力(剪切)韧性(曲)失败,这是有利的。同时,所有FRP加固梁比unstrengthened梁裂缝的高负荷。

3所示。有限元建模

3.1。元素类型

三维钢筋混凝土元素和分层固体元素是用来模拟FRP-strengthened钢筋混凝土梁的行为。钢筋混凝土的三维实体元素(在ANSYS SOLID65)与八个节点,每个节点三个自由度,翻译在节点x, y,和z方向,使用。这个元素的塑性变形、蠕变在混凝土破碎,裂缝在每个集成点三个正交方向。时间非线性这里不考虑(蠕变和收缩)。此外,为了避免过早失效分析的一个重要局部刚度损失从破碎,破碎能力在这个研究是禁用的。SOLID65单元模拟非线性材料行为涂抹裂缝的方法(10]。当裂纹发生在一个集成点,材料特性有效地调整模型裂缝的“抹乐队”,而不是离散裂缝。当一个主应力在一个具体的集成点元素超过抗拉强度,刚度降低为零,主方向垂直于裂缝的平面。裂缝可以模拟在三个方向的每个集成点。玻璃钢复合材料建模与三维分层结构固体元素(SOLID46)拥有相同数量的节点和自由度的具体元素。SOLID46元素允许不同材料层具有不同的方向,在每一层正交各向异性材料特性。三维桁架(或石膏)元素(LINK8)和两个节点,每个节点三个自由度,翻译在节点x, y,和z方向,用于模型离散钢筋。

3.2。材料特性

在外载荷作用下混凝土的反应没有和监禁具有明显的非线性行为,可以建模的SOLID65元素。完成所需的混凝土应力-应变曲线准确预测结构行为失败和postfailure。压缩的应力-应变关系可以分为升序和降序分支。无侧限混凝土,几个数值表达式已经发展为完整的曲线(11,12]。为提升分支,这些方程提供类似的关系。然而,对于下行分支不同,来自实验结果的应力-应变关系,下降的斜率分支取决于许多因素,也就是说,装货,类型的试验机,大小和位置的测量长度,和关系的存在与否或箍筋11- - - - - -15]。在这项研究中,来自Desayi的本构模型和克里希南16)如图2(一个)(公元前AB和地区)是用来表示升序和降序的分支无侧限混凝土的应力-应变关系如下:

在这 降支后,具体的可以接受大的菌株(CE从图2(一个)同时仍然抵制约20% -30%的最大应力(14,17]。在这里,假设混凝土可以维持0.3的压力后降支。

约束混凝土时发生压缩导致横向膨胀由于泊松效应和体积的增加由于进步的内部开裂和压力对横向钢筋(外13]。抑制钢筋密集钢筋箍筋或玻璃钢装箱。监禁也可以局部效应的应用集中负荷(18]。约束混凝土的强度和延性提高压缩。马尾溪桥的横梁、没有约束由于钢铁马镫。研究人员已经开发出混凝土应力-应变关系限制了钢螺旋或箍筋13,15,18]。但是,没有调查FRP-confined混凝土应力-应变关系的纯弯曲成员被发现。列的研究关注于FRP约束(包括轴向载荷和弯曲),而不是梁(19- - - - - -21]。为简单起见,这里假定是,FRP-confined混凝土弯曲成员的行为类似于stirrup-confined混凝土。因此,监禁没有影响的斜率上升部分的应力-应变关系,并与无侧限混凝土(13,22]。此外,对无侧限抗压抗弯强度和限制混凝土是相同的和等于圆柱体抗压强度。降支,斜率FRP-confined混凝土(地区BD图2(一个))被认为是无侧限混凝土和完全塑性行为之间(15]:

至于无侧限混凝土,在假定混凝土进行30%的最大应力的菌株(地区德图2(一个))。

在紧张、混凝土应力-应变行为被假定为线性弹性斜率抗拉强度,根据ACI 31823]:

泊松比的混凝土梁是假定为0.2 (24]。剪切传递系数代表了随后的加载的抗剪强度折减系数,从而诱导滑动(剪切)在裂缝的脸8]。剪切传递系数范围从0.0到1.0,0.0表示一个光滑的裂纹(完整的剪切损失转移)和1.0一个粗略的裂纹(无剪切损失转移)。开放的裂纹,剪切传递系数变化在0.05和0.50之间在许多钢筋混凝土结构的研究(25]。系数值选择(在0和1之间)似乎不重要;然而,一个值大于0是必要的为了防止数值困难(25]。在这项研究中,使用的开放和封闭裂缝剪切传递系数是0.2和1.0,分别。

混凝土的材料属性用于每个梁的有限元分析表进行了总结1。弹性模用于有限元分析获得脉冲速度测量(26)更准确地估计实际的混凝土梁的刚度。弹性模量估计使用测试气缸优势(使用的关系(3))都明显高,相比那些从设计28天计算的优势和获得的脉冲速度测试(9]。平均每个汽缸强度梁当天测试(表1)为41.9 MPa(82天),30.5 MPa(125天),38.4 MPa(164天),和34.3 MPa unstrengthened(198天),弯曲加强,剪切增强,分别和挠曲+剪切加强梁。

实验和有限元模型梁包括典型的没有。16日,没有。19,和no.22 steel reinforcing bars (see Figure1(一))和名义上的属性MPa,平均绩点,,反映实际从制作者获得典型的屈服强度。钢为FE模型被认为是elastic-perfectly塑料和相同的张力和压缩,如图2 (b)。

在有限元模型中,每个负载分布在一个小区域的试验梁。宽100毫米和25毫米厚钢板(使用3 d结构固体元素拥有8节点在每个节点有三个自由度,翻译在节点x, y,和z方向)被添加在支持的位置,以避免在这些位置的应力集中问题。钢板是线性弹性和弹性模量等于200 GPa和泊松比为0.3。

玻璃钢复合材料被认为是特殊正交的横向各向同性;,机械性能是相同的在任何方向垂直于纤维。GFRP梁的应用于面增加抗剪强度和大应变失败。碳纤维增强塑料应用到梁的底部提供额外的抗弯能力,由于其高的抗拉强度。线性弹性假定玻璃钢如图2 (c)和总结在表2。玻璃钢材料特性是基于制造商设计值。

3.3。建模方法

利用光束的对称性,四分之一的全尺寸的梁是建模,减少计算时间和计算机磁盘空间需求。钢筋被忽视的倾斜部分简化钢试验梁的钢筋。钢筋和混凝土之间的完美结合。

使用约束混凝土本构模型,GFRP表或承载板。约束梁的底部加固效果被认为是微不足道的。应用加载(附近的监禁17)也可以防止严重的元素失真和数值不稳定。大量的分析来确定一个适当的大小限制加载下混凝土区域。该地区被建模为延长纵向距离“d”从左边和右边的承载板和一个深度“d / 8”板的底部。约束混凝土的宽度等于梁的宽度。尺寸如图所示3(一个)和适用于unstrengthened flexural-strengthened梁。从GFRP约束是假定所有具体元素的剪切和弯曲/剪切加强梁模型。

不同厚度的不同数量的层玻璃钢复合材料创建不连续、不理想的有限元分析;因此,玻璃钢复合材料用于模型的一致的厚度以避免不连续。不同厚度占通过补偿变化在每一层的弹性模量和剪切模。例如,如果玻璃钢表的实际厚度超过一定地区增加了一倍,弹性和剪切模也在模型中增加了一倍。没有脱胶试验梁的玻璃钢观察表(shear-strengthened梁毁灭性的失败后除外),和完美的债券之间的混凝土和玻璃钢表。碳纤维增强塑料在支持的扩展也减轻分层在梁的两端。收敛性研究是用来帮助确定一个最优的有限元模型网格密度。然而,涂抹裂缝模型的元素大小不应少于几次总大小(27];因此,尺寸(宽度、长度和高度)的具体元素约等于55毫米在这项研究。小FRP加固的维度进行了修改,由于其他元素的几何约束模型,即具体元素的啮合,钢钢筋位置和所需的输出位置。图3显示四梁的有限元模型。

3.4。非线性分析方法

牛顿平衡迭代是用来解决非线性行为的全面。增量位移逐渐应用到梁(位移控制)。加载后显示在结果计算反应的对应位移增量应用的支持。力和位移收敛公差正确指定,分别为0.5%和1%。每加载增量迭代的最大数量是60。

4所示。比较的结果

试验梁在单调和增量连续载荷进行测试,以最大可能的负载。unstrengthened, flexural-strengthened shear-strengthened梁,这是相应的梁能力。然而,对于弯曲/ shear-strengthened梁,试验机的加载是有限的,正如前面所讨论的。

4.1。载荷应变图

传统60毫米electrical-resistant应变仪使用梁内钢筋,玻璃钢表面,在混凝土表面。实验应变数据收集从每个材料的应变仪连接梁跨中,也就是说,在中间# 22日计钢钢筋图的每个梁(一节1(一)),测量中心底部表面的碳纤维增强塑料薄板弯曲和弯曲/ shear-strengthened梁(数字1 (b)和1 (d)),评估中心的混凝土梁的上表面(图1)。这些应变数据进行比较与那些从有限元分析获得如下。比较load-tensile应变情节的22 #钢钢筋图所示4。在线性(混凝土开裂前)和非线性范围,菌株获得的有限元分析与实验吻合较好。扭转应变控制(图4(一))和flexural-strengthened(图4 (b))实验梁最有可能是一个主要的裂缝造成的局部作用接近中跨。这种行为不发生与抹开裂有限元模型。同时,注意,弯曲和shear-strengthened梁无法加载实验失败,和情节在图4 (d)发散的加载在实验情况下停止。

比较load-tensile应变情节的玻璃钢复合材料(抗弯加固)如图5。Load-tensile应变图显示合理的有限元分析和实验结果之间的协议。具体来说,测量和预测碳纤维增强塑料拉伸flexural-strengthened梁失败的菌株1970和2180微应变,分别计算相应的压力等于120和140 MPa,分别。弯曲/ shear-strengthened梁,最大峰值负载的预测应变有限元分析的碳纤维增强塑料是11 000微应变。这些菌株不到极限应变的碳纤维增强塑料表所示2;因此,碳纤维增强塑料仍然表现线性。实验flexural-strengthened梁,数字4 (b)和5(一个)表明,混凝土之间滑移和碳纤维增强塑料并不重要。实验菌株在碳纤维增强塑料失败只是高出3%的拉伸应变主要钢钢筋。注意,弯曲和shear-strengthened梁无法加载实验失败,和情节在图5 (b)发散的加载在实验情况下停止。

图6提出了一种比较load-compressive应变(混凝土)的阴谋。unstrengthened梁(图6(一)),load-compressive应变情节的有限元分析和实验数据显示良好的协议。flexural-strengthened(图6 (b))和弯曲+ shear-strengthened(图6 (d))光束,有限元结果表明有些菌株比实验结果在整个加载。shear-strengthened梁(图6 (c)),铁的载荷应变图和实验结果通常具有可比性。然而,试验梁应用加载显示异常的非线性行为从0到470 kN,大概当地材料缺陷的结果。裂纹发生在水泥和骨料之间的接口由于其弹性模量的差异,热系数,对含水量变化和反应混凝土硬化时可能是当地材料缺陷的来源。在大约535 kN,大型压力发生在有限元模型和实验梁。这是非常接近钢的屈服载荷如图4 (c)。钢筋屈服后,大型混凝土菌株发生在实验梁和有限元模型;然而,load-compressive应变图的斜率从实验数据大于有限元分析。模型假设elastic-perfectly塑料钢可能造成这种差异,应变硬化可能发生在实际的钢筋。加强梁的弯曲和弯曲/剪切,FE和实验结果趋势通常是相似的。

4.2。简的情节

从实验和有限元分析对比简情节的中心底梁如图7。一般来说,有限元分析的载荷挠度情节同意与实验数据很好。铁简情节在线性范围比实验情节有点硬。首先开裂后刚度的有限元模型又高于实验梁。有几个影响可能会导致更高的刚度有限元模型。首先,微裂隙出现在实验前梁加载和可能产生的干燥收缩的混凝土和/或处理。有限元模型不占这些微裂隙,减少试验梁的刚度。

接下来,混凝土和钢筋之间完美的债券是假定在有限元分析中,但有些滑发生在实验梁。当粘结滑移发生,混凝土和钢筋之间的混合作用降低。因此,试验梁的整体刚度预计将低于有限元模型(施加额外限制行为基于网格大小和元素类型)。

注意,弯曲和shear-strengthened梁无法加载实验失败,和情节在图7 (d)发散的加载在实验情况下停止。

4.3。裂纹模式

实验失效模式(图8)的光束一样预测(9]。Unstrengthened剪切flexural-strengthened梁均以失败而告终,但flexural-strengthened梁失败在更高的负载如表所示3。图8 (c)显示了失败的shear-strengthened梁在跨中弯曲,钢筋的屈服之后,压缩破坏梁的顶部。弯曲/ shear-strengthened梁不加载失败由于试验机能力的局限性。图9显示了裂纹的演进模式发展中在每个梁的有限元分析,包括裂缝方向和多个裂缝内元素(色彩)。裂缝的出现反映了梁模型的失效模式。一般从smeared-cracking有限元分析获得裂纹模式在峰值负载(图9),试验梁的失效模式(图8)同意很好。有限元模型的unstrengthened(图9(一个))和flexural-strengthened梁(图9 (b)),涂抹裂缝分布在高剪切应力区域和主要发生在梁的两端的支持向负载区扩展。有限元分析准确预测,这两个在剪切梁失败。shear-strengthened梁模型(图9 (c)),无数的裂缝出现在中跨和裂缝模式和钢产生(图4 (c)在中跨支持梁失败在弯曲的实验结果。计算表明,实验弯曲/ shear-strengthened梁将有限的混凝土的抗压强度和失败在弯曲9]。裂纹模式在故障预测的有限元分析曲+抗剪加固梁如图9 (d)。无数的裂缝出现在梁的顶部,和许多弯曲裂缝也观察到在中跨。此外,在中跨钢模型如图4 (d)。这些有限元分析结果都符合梁挠曲的失败。

4.4。加载在失败

表3显示对比实验梁和最后的终极加载载荷的有限元分析。的实验,最终定义加载梁迅速失去的负荷能力,和由此产生的位移和压力远远超过相应的仪表的范围。使用有限元分析的位移控制允许的下降部分载荷挠度关系定义(数据7(一)和7 (b)),清楚地表明梁能力。之前模型分析了增量载荷(力的控制)unconverged解决方案定义失败。的降支获得剪切failure-controlled梁。梁在弯曲(例如,剪切和弯曲加上切变加强梁),延性越梁位移超过标准公差可以追溯到前降支(数字7 (c)和7 (d))。

有限元模型低估了梁的优势,原因如下。首先,倾斜的部分钢筋被排除在简化的有限元模型。此外,应变硬化钢不包括在模型中。这种减少的能力预期,如图7 (c)。第二,复杂机制的面孔,也就是说,粮食衔接过程,裂缝之间的联锁的脸,裂纹钝化空洞,和裂纹分支过程,也可以稍微延迟实验的失败彻底崩溃前束。这些机制并没有被认为是在有限元模型。最后,假设完美的钢铁和混凝土与FRP与混凝土之间增加梁的刚度;然而,他们可能会降低极限承载力。应力发生在相同的位置在同一加载和完美的债券模型通常高于如果一些材料包括之间的滑移,并可能产生过早当地失败。

在表3每个梁的极限荷载,包括其失效模式从手动计算也包括在内。中使用的具体优势来自手计算从脉冲速度测量(9与有限元分析是一致的。手计算包括基于挠曲,基于剪切能力。这些能力的降低控制和被定义为极限荷载。flexure-based容量,简单,直接,和一般分析方法是从平衡和应变兼容性。古典弯曲失效模式被认为是,压缩失败(破碎的混凝土压缩前进行钢筋的屈服);张力失败(产生张力是紧随其后的是钢筋的混凝土破碎);玻璃钢断裂(钢筋的屈服压力是紧随其后的是玻璃钢断裂)。挠曲理论的基本假设。剪切和弯曲+切变加强梁,GFRP贡献不考虑受弯承载能力。shear-based容量,简化的抗剪强度方程规定ACI 31823使用)。unstrengthened和挠曲加强梁,只有对剪切能力被认为是具体的贡献。剪切和弯曲+切变加强梁,修改方法(9基于使用保守的应变极限)。还以为没有碳纤维增强塑料贡献曲+ shear-strengthened梁抗剪能力。可以看出,所有梁的极限载荷的手计算不到那些从有限元分析和实验获得。这是因为手中的经典方法计算基于兼容性和平衡主要是弯曲梁。然而,梁测试和分析在这项研究中“剪切关键”有显著的剪切变形,特别是在混凝土开裂。同时,简化和实用方法,很难预测行为与FRP复合材料加固的钢筋混凝土梁,使有限元模拟分析这样一个复杂的行为的有效工具。

5。结论

在这项研究中,三维有限元分析模拟钢筋混凝土梁的行为全面加强与玻璃钢复合材料。有限元模型显示的一般行为定性趋势的观察和数据全面梁测试。载荷应变图显示的本地行为一般有限元分析在指定位置显示实验数据的好协议。简情节跨从有限元模型有相似的趋势与试验梁,但有限元模型比实验梁略硬的线性和非线性范围。和混凝土之间的粘结滑移的影响(钢筋)和微裂隙发生在实际的光束被排除在外的有限元模型和导致更高的刚度。最后加载裂纹模式从有限元模型对应的试验梁的破坏模式。最后加载有限元分析的实验最终负载低于6% -18%。三维裂纹FE模型提出了研究展示全面的光束的行为和提供额外的大规模测试结果和更好的理解FRP-strengthened混凝土梁。来自本研究的知识可用于保守估计FRP-reinforced混凝土梁使用有限元模型的承载力。有限元模型可以用于进一步的研究开发设计规则使用FRP加固钢筋混凝土构件。 It should be pointed out that one of the limitations of these FE results is that they predict failures that are not failures of, or in, the FRP or epoxy bond. A multitude of other failure modes may exist and need to be investigated in future research.

符号

肤色线:	中心线的梁
:	混凝土的初始弹性模量(MPa)
:	的斜率下降的分支FRP-confined混凝土(MPa)
:	钢筋弹性模量(MPa)
:	玻璃钢复合材料的弹性模量(纤维方向),y,和z方向(MPa)
:	混凝土的极限抗拉强度(断裂模量)(MPa)
:	钢筋屈服应力(MPa)
:	Yltimate混凝土抗压强度(MPa)
:	玻璃钢复合材料的剪切模量xy, xz, yz平面(MPa)
:	总外加负载(kN)
:	剪切传递系数
:	在混凝土应变
:	钢筋的屈服应变
:	在混凝土的极限抗压强度压缩应变
:	应力混凝土(MPa)
:	泊松比
:	主要的玻璃钢复合材料的泊松比xy, xz和yz平面。

确认

这项研究部分支持的俄勒冈州运输部(ODOT),萨勒姆,矿石,美国的公民,建设和环境工程、科瓦利斯,俄勒冈州立大学的矿石,美国。

引用

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