文摘

介绍了数值分析预应力钢筋混凝土(PRC)梁加强与近地表安装(销售经理)碳纤维增强聚合物(CFRP)。使用ABAQUS有限元软件来模拟现有的试验梁调查中华人民共和国与销售经理碳纤维布加固梁的弯曲行为。与销售经理碳纤维布加固梁的有限元模型成立。有限元计算结果与实验结果来验证模型的准确性和有效性。基于这个模型,混凝土强度等级的影响,大量的碳纤维增强塑料条直接加强梁的弯曲行为和周期数和过载振幅受损的加强梁的弯曲行为进行了进一步分析,中华人民共和国和承载力计算公式与销售经理碳纤维布加固梁条成立。结果表明,仿真结果和理论计算与测试结果一致。随着混凝土强度等级的增加和大量的碳纤维增强塑料条,直接加强梁的极限荷载显著增加,最大增加21.3%和23.0%,分别。当混凝土强度等级超过了C50,极限荷载的改善是有限的。过载时振幅小于极限荷载的60%,周期数(500次)屈服载荷影响很小,极限荷载和变形。当超载幅度高于60%的极限载荷,变形增加,而极限载荷降低了周期数的增加。 The larger the overload amplitude, the smaller the ultimate load, and the larger the deformation under the same cycle numbers.

1。介绍

碳纤维增强塑料广泛应用于结构加固项目由于其轻,强度高,耐腐蚀。最常见的碳纤维增强塑料加固钢筋混凝土梁的方法是外部债券(EB)碳纤维增强塑料层压制品的底梁(1]。然而,这一系统的有效性受到最常见的剥离破坏模式,这发生在一个有效的应变远低于极限应变实现由碳纤维增强塑料复合材料(2]。销售经理碳纤维增强塑料技术包括切割混凝土保护层的凹槽,槽填满胶,将碳纤维增强塑料酒吧或条嵌入凹槽(3,4]。结构加固的新方法有良好的抗剥落性能的显著优点,碳纤维增强塑料的高利用率,方便施工。因此,它已广泛应用于工程领域近年来结构加固和重建。

大量的研究已经进行与销售经理碳纤维布加固混凝土梁(5- - - - - -11]。腾et al。12使用销售经理)进行强化试验研究碳纤维增强塑料带加强技术。在测试、失效模式和碳纤维增强塑料带的应变分布进行了分析。结果表明,极限荷载和刚度与销售经理碳纤维布加固梁开裂后得到了显著的改善。El-Gamal et al。13)进行了实验研究与销售经理碳纤维布加固梁和GFRP酒吧。研究参数类型、数量和FRP的配筋率。试验结果表明,加固梁的承载力是31%∼133%高于控制光束。迪亚斯et al。14)进行了一项试验研究钢筋混凝土梁的抗弯加固性能通过加强技术销售经理碳纤维增强塑料带和测试一个unstrengthened控制光束与不同数量的碳纤维布加固梁和三个。试验结果表明,碳纤维增强塑料条销售经理非常有效的抗弯加固钢筋混凝土梁,可以有效地提高开裂,收益率,梁的极限荷载。大量的理论和实验研究已经进行与销售经理碳纤维布加固混凝土梁的弯曲行为,并取得了一些研究结果。然而,有相对较少的研究中国与销售经理碳纤维布加固梁条。此外,大部分的梁,需要加强工程实践受损梁在重复载荷。因为测试的参数分析是有限的,加固梁的承载力在特定加载时间不能全面分析。因此,在本文中,中华人民共和国与销售经理碳纤维布加固梁的弯曲行为条使用有限元分析有限元进行了研究。加强梁的模型建立。数值模型的正确性验证,通过比较实验结果。使用经过验证的模型,混凝土强度等级的影响,碳纤维增强塑料条,周期数和过载振幅加强梁的弯曲行为进行了进一步的分析。 The calculation formula of load carrying capacity is given and verified by the test and simulated data. This modeling method has applicability in simulating the mechanical properties of PRC beams strengthened with NSM CFRP strips and can be applied to the subsequent mechanical properties analysis.

2。实验程序

本文模拟测试光束来自文献[15]。所有试验梁的粘结中华人民共和国t形梁的长度4.5米,净跨4.3米。C40混凝土的设计强度等级。混凝土的纵向增援web和法兰16毫米hrb - 335和10毫米hpb - 300,分别。箍筋的混凝土法兰6毫米直径200毫米的间距,在具体的网络,是8毫米直径100毫米和120毫米的间距和中跨,最后分别。两个1860高强度钢和低松弛链用于预应力钢筋。测试的部分维度和加固梁在图所示1。


图1
部分维度和加固试验梁(单位:毫米)。

试验梁的设计参数和结果展示在表1。

表1
试验梁的设计参数和结果。

具体的测试步骤如下:(1)的屈服载荷 和极限载荷 unstrengthened控制光束PCB0进行测试。(2)模拟超载破坏,梁上的初始执行赔偿MPCB1∼MPCB4通过循环加载不同的周期数和过载振幅加强。规定的美国州国家公路运输官员协会(16),桥接成员的内部钢筋应力在正常使用极限状态不得超过60%的钢筋的屈服应力,以及任何价值超过这个极限应视为超载。因此,在这项研究中,0.9和1.3倍的屈服载荷控制束被认为是超载幅度的上限,下限屈服载荷的0.1倍。周期数字作为1 50和100倍。(3)初始破坏后,这些梁加强与销售经理在不同的持续负载下碳纤维增强塑料条。它们反向竖立在加载装置和加载不同的持续负载0.9 或1.3 (MPCB1-MPCB3: 105 kN, MPCB4: 150 kN)。碳纤维增强塑料盘子被切成条的尺寸3000毫米×10毫米×1.2毫米。三个碳纤维增强塑料条粘合在一起形成一个整体,嵌入两个凹槽,分别在胶粘剂固化后24 h。加强过程如图2。(4)负载测试是一直持续到养护期后的失败。每个加强梁的极限荷载。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图3
强化过程的标本:(a)开槽、切条(b)和(c)条埋置。

3所示。有限元模型的建立和验证

3.1。建立有限元模型
3.1.1。单位选择

使用有限元分析软件进行数值分析。三维元素(C3D8R)是用于混凝土;三维桁架元素(T3D2)是用于普通钢筋和预应力钢筋;和C3D8R固体元素用于碳纤维增强塑料条。

3.1.2。材料特性和参数定义

(1)混凝土。采用混凝土塑性损伤模型,可以考虑混凝土的抗拉和抗压强度的差别,以及循环加载下的刚度退化和恢复。因此,材料模型可以用来模拟混凝土的刚度退化大约[17,18]。

曲线方程如下: 在哪里 , , , , , , , ,和 单轴抗压强度、峰值压应变,混凝土的极限压应变。

应力性骨折的能量关系是用来描述混凝土的强度和软化特性。

(2)Non-Prestressed钢筋。应力-应变关系的数学表达式如下(19]: 在哪里 , , , , , , , 钢筋的弹性模量, 是钢筋的极限强度。

(3)预应力钢筋。应力-应变关系如下: 在哪里 预应力钢筋的弹性模量, 是一个极限抗拉应变预应力钢增援, 的条件屈服强度预应力钢增援, 是有条件的预应力钢筋屈服应变, 预应力钢筋弹性极限压力, 是最终的弹性应变预应力钢增援。

(4)碳纤维增强塑料条。应力-应变关系是作为理想的弹性(20.]。如果纤维应力超过其抗拉强度,认为纤维坏了。碳纤维增强塑料带的应力-应变关系如下: 在哪里 碳纤维增强塑料带的压力, 是碳纤维增强塑料的弹性模量, 是一个紧张的碳纤维增强塑料条, 是一个容许碳纤维增强塑料带的拉伸应变。

3.1.3。预应力模拟方法

用于模拟预应力混凝土结构有限元分析时,预应力钢筋的模拟方法通常包括多点约束方法(MPC方法),冷却方法,等效荷载法,自己的初始应力的有限元分析方法,钢筋元素单一方法,钢筋层方法,等等21]。摘要冷却方法,即应用温度荷载预应力增援(冷却),也就是说,温度荷载应用于预应力钢增援部队,以及预应力钢增援简约的预应力混凝土梁: 在哪里 预应力钢筋的线膨胀系数,作为吗 ;T温度载荷;和P相对应的载荷值温度降低。

3.1.4。加载应用程序

循环负荷是由施加集中力根据周期数字和过载振幅。标本进行循环加载,然后加强碳纤维增强塑料条。因此,碳纤维增强塑料条不参与强化但强化后的压力。为了有效地模拟其应力过程,出生和死亡元素技术(21,22)是用于模拟。

3.2。验证的有限元模型

由于空间有限,本文只给出了数值分析结果和模型验证unstrengthened控制梁PCB0和加强梁MPCB4加载。

3.2.1之上。载荷和变形分析

有限元结果的载荷变形曲线与试验结果相比,如图3。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
比较之间的载荷变形曲线模拟和实验结果:PCB0 (a)和(b) MPCB4。

图3(一个)显示unstrengthened梁的载荷变形曲线的比较。可以看出模拟载荷变形曲线分为三个阶段:初始弹性阶段、弹塑性阶段,塑性阶段。开裂前,,在加载的初始阶段,仿真曲线和试验曲线基本一致。曲线提出了一个线性分布。梁在弹性阶段。当计算负载达到55.6 kN(测试值为59.6 kN)、载荷变形曲线。当负载达到118 kN(测试值是116 kN),曲线的刚度下降,有一个明显的转折点,表明,强化了,中跨变形是14.6毫米(测试值是13.7毫米)。当计算负荷达到226 kN(测试值为229.4 kN)、载荷变形曲线达到峰值,的最大变形梁是119毫米(测试值是115毫米)。因此,可以看出,仿真曲线高协议控制梁的试验结果曲线,显示一个明显的三阶段的形式。特征点基本上是一致的。 The simulation results were basically consistent with the test results and tended to be safe.

图3 (b)显示了增强梁的载荷变形曲线的比较MPCB4有限元模型结果与测试结果。受损的加强梁的刚度增加,载荷变形曲线的斜率增加,变形增长放缓将碳纤维增强塑料条的加强效果。当负载继续156.8 kN (165 kN在测试),跨中变形时载荷变形曲线将39.0毫米(39.8毫米在测试),比前一个阶段而刚度降低了。当负载达到241.0 kN (254.6 kN在测试),102.8毫米的最大变形梁在测试(95毫米)。可以看出,受损的加强梁的有限元仿真曲线在加载曲线类似于测试的结果,两个阶段的形式。收益率和极限载荷略低于试验值,和变形略大于试验值和偏到安全的地方。

根据曲线的峰值点的每个阶段,典型的受损的加强梁的载荷变形曲线在加载了,如图4。


图4
加强梁的破坏的典型载荷变形曲线。

根据屈服点和峰值负载,选择三个关键点,曲线被分为两个阶段。三个要点如下:点与碳纤维布加固后临界点在加载;B点是钢筋的屈服点;和C点负载峰值点,极限状态。两个阶段是弹塑性阶段(AB部分)和塑料阶段(公元前部分)。在弹塑性阶段,保持混凝土梁弹塑性,钢筋在B点了。在塑性阶段,从B点,刚度开始减少明显;之后,慢慢负载增加,变形迅速增加,直到极限载荷C点。

3.2.2。应力分析

结合图4混凝土梁的应力分布,钢铁增援,碳纤维增强塑料条沿梁长度对应上述三个特征点(分A、B和C)进行了分析。混凝土梁的应力分布云图,钢铁增援,碳纤维增强塑料条沿跨度方向在特征点如图5。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图5
纵向应力分布沿梁长度:(a) a点的应力云图,(b) b点的应力云图和(c) c点的应力云图。

如图5(一个)循环加载后,碳纤维增强塑料条为加强嵌入式在装货。此时,中性轴在张力下的具体网络,和上面的中性轴压缩。强度钢增援部队还没有产生,碳纤维增强塑料带的压力是0,所以没有参加了压力。加强梁达到关键B随着负载的增加,届时钢筋产生的张力和碳纤维增强塑料条开始被强调,如图5 (b)。随着负载的增加,强度钢的屈服区域增援增加。钢增援产生后,碳纤维增强塑料带孔主拉应力。压力迅速增加,刚度降低,变形增长率大于负荷增长率。在纯弯曲部分钢铁增援和弯剪段了。虽然碳纤维增强塑料条没有达到极限强度,它倾向于极限强度,这表明,碳纤维增强塑料带被反映的强化效应在某种程度上,如图5 (c)。

混凝土梁的应力分布曲线,强度钢加固,碳纤维增强塑料条的压缩区沿梁长度在特征点如图6。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图6
截面应力分布沿梁长度:(a)段混凝土,(b)段钢铁增援,碳纤维增强塑料条(c)节。

混凝土部分的压力点A和B是最大的在纯弯曲部分。混凝土在B点的压力略高于混凝土部分点,和混凝土的压应力部分在C点两个加载点附近达到最大。试验梁的实验观察失效模式标本:破碎的失败在受压区混凝土楔形失败部分混凝土保护层的拉伸区域,或两者的结合模式。在仿真分析中,首先混凝土达到极限抗压应力,最大的位置是在装载点附近,这与实验失效模式是相一致的。强度钢增援的部分压力点A和B是最大的在纯弯曲部分。达到极限荷载时,收益率的强度钢增援增加,钢增援的纯弯曲部分和大部分的弯曲剪切部分达到了屈服强度。碳纤维增强塑料带的截面应力是0点a点B,碳纤维增强塑料带就参加了压力,和应力值非常小。当它达到C点,钢铁增援了,而碳纤维增强塑料带的压力达到1562 N /毫米2,强度基本上是充分的利用。

通过比较分析,获得的载荷变形曲线和应力分布的有限元分析与试验结果有很好的一致性。本文建立的有限元模型能准确地模拟中国销售经理与碳纤维布加固梁的弯曲行为。

4所示。参数化分析

为了更好地分析加固梁的弯曲行为,这个模拟考虑了混凝土强度等级和碳纤维增强塑料条直接加强梁无破损的情况。在损坏的情况下加强梁,*的周期数1,50岁,100年,200年和500年作为参数,和超载幅度的上限70 kN, 90 kN, 120 kN, 130 kN, 140 kN, 150 kN作为参数。

4.1。直接加固梁
以下4.4.1。混凝土强度等级

五个强度等级的C30、C40、C50, C60,和之前作为参数,直接加强梁的载荷变形曲线在每个混凝土强度等级图所示7。


图7
不同强度等级的混凝土的载荷变形曲线。

结果表明,在弹性阶段混凝土开裂前,在不同强度等级、载荷变形曲线的斜率基本上是相同的,和开裂荷载基本上是相同的。在第二阶段的载荷变形曲线,随着混凝土强度等级的增加,加固梁的屈服载荷略有增加,但增加不明显。在第三阶段的载荷变形曲线,混凝土强度等级有很大的影响加强梁的极限荷载。混凝土强度等级越高,极限荷载越大。

加强梁的极限载荷230 kN, 268.6 kN, 275.9 kN, 278.1 kN,分别和278.9 kN。C30的加强梁相比,其他加强梁增加了16.8%,20.0%,20.9%,和21.3%,分别。可以看出,随着混凝土强度的提高,提高了极限荷载。混凝土强度等级超过网时,改进的极限载荷随混凝土强度等级的增加有限。

应力沿梁长度的分布曲线在不同混凝土强度等级图所示8。正如图中所看到的,混凝土截面的最大应力发生在两个加载点附近的内侧。由于钢板在加载点的影响,混凝土应力略有下降。从装载点越远,混凝土压应力沿梁长度显示非线性对称下降趋势。最大拉应力发生在纯弯段和剪跨段的一部分,然后逐渐减少梁的两端。碳纤维增强塑料带部分的拉应力是最大的装载点附近的纯弯曲段和减少非线性梁的两端。

(一)
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(b)
(b)
(c)
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图8
截面应力分布沿梁长度在不同强度等级的混凝土:混凝土(a)部分,(b)段钢铁增援,碳纤维增强塑料条(c)节。

C30强度等级混凝土时,混凝土的最大压应力加载点位于内部的一面。这时,碳纤维增强塑料带的压力没有达到极限强度。C40混凝土强度等级时,在压区混凝土压应力达到极限抗压应力、拉应力的碳纤维增强塑料条倾向于最终的强度。C50混凝土强度等级时,混凝土的最大压应力明显增加,和碳纤维增强塑料带的拉应力达到极限强度。随着混凝土强度等级的增加,混凝土的抗压应力基本不再增加。结果表明,随着混凝土强度等级的增加,混凝土的抗压应力和拉应力的碳纤维增强塑料条逐渐增加明显。混凝土强度等级超过网时,混凝土压应力和拉应力的碳纤维增强塑料条不再明显增加,钢和最大拉应力增援部队并没有改变随着混凝土强度等级的增加。然而,最大拉应力范围逐渐扩展到两端的梁混凝土强度等级的提高。

4.1.2。大量的碳纤维增强塑料条

不同碳纤维增强塑料的载荷变形曲线条量的计算是通过有限元分析,如图9。压力分布曲线沿梁长度如图10。


图9
不同数量的碳纤维增强塑料条的载荷变形曲线。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图10
截面应力分布沿梁长度在不同数量的碳纤维增强塑料条:(a)段混凝土,(b)段钢铁增援,碳纤维增强塑料条(c)节。

图9表明,碳纤维增强塑料条有一定的数量对梁的极限载荷的影响。当碳纤维增强塑料条的数量是2,4,6,8,10,最终加载235.4 kN, 254.3 kN, 268.6 kN, 271.7 kN,分别和278.1 kN。数量越大,极限载荷越高。与unstrengthened梁相比,极限载荷增加了4.1%,12.5%,18.8%,20.2%,和23.0%,分别。的终极加载梁加强6、8、10碳纤维增强塑料条增加了5.6%,6.8%,和9.4%,分别比4碳纤维布加固梁。结果表明,碳纤维增强塑料条的数量有明显影响改善加强梁的极限荷载。

图10表明,负载达到极限荷载时,钢的增援unstrengthened梁和混凝土达到极限抗压应力。当碳纤维增强塑料条的数量是2或4,碳纤维增强塑料带的拉应力达到极限强度,和拉应力的分布曲线沿梁长度基本上是相同的。碳纤维增强塑料条的数量为6时,混凝土的压缩区达到极限抗压应力在装载点和碳纤维增强塑料条达到极限强度。碳纤维增强塑料条的数量超过6时,混凝土达到极限抗压应力,但碳纤维增强塑料条没有达到极限强度。结果表明,随着碳纤维增强塑料带的增加,混凝土的抗压应力略有增加,而碳纤维增强塑料带的拉应力逐渐降低了。当碳纤维增强塑料条的数量增加到6,8日和10日,混凝土压应力的增加是有限的,沿梁长度和分布曲线基本吻合。然而,钢铁援军没有变化的最大拉伸应力的增加碳纤维增强塑料条。碳纤维增强塑料条的数量超过6时,碳纤维增强塑料带的强度并没有充分的利用。

4.2。伤害加强梁
4.2.1。准备周期数

后循环加载一次,50、100、200、和500倍,然后与碳纤维布加固梁是条加载。梁的载荷变形曲线相同的过载振幅得到如图11。

(一)
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(b)
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图11
载荷变形曲线不同周期的数字:(a)超载幅度70 kN, (b)超载幅度90 kN, (c)超载幅度120 kN, (d)超载幅度130 kN, (e)超载幅度140 kN, (f)超载幅度150 kN。

可以看出,当过载振幅小于130 kN(51.5%的极限荷载)和周期数小于500次,周期数对极限荷载和变形影响很小在同样的过载振幅。当振幅的上限是140 kN(62%的极限荷载)、极限载荷和变形基本上不受1和50个周期。循环次数是200时,变形明显增加。这是因为变形破坏的主导因素,由于周期数的增加略有增加。循环次数达到243时,试样失败之前强化。当超载幅度的上限是150 kN(66.3%的极限荷载),50个周期的变形是略大于一个周期,和极限荷载略有下降。当循环次数是100,变形显著增加,极限荷载水平下显著降低负载。循环次数达到112时,试样失败之前强化。

结果表明,当超载幅度不到60%的极限载荷,周期数(500次)内没有明显的屈服载荷的影响,极限荷载和变形。当超载幅度高于60%的极限载荷,周期数的极限荷载和变形产生影响。循环数的增加,变形增加,极限载荷降低了。

4.2.2。过载振幅

载荷变形曲线与不同上限的过载下振幅相同的周期数(50、100、200、500倍)得到,如图12。

(一)
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(b)
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(d)
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图12
载荷变形曲线的不同超载幅度:(a) 50周期数,(b)周期数字100,(c)周期数字200,(d)周期数字500。

可以看出,与过载振幅的增加,极限载荷降低,变形增加相同的周期数。当过载振幅很小,极限荷载和变形的变化很小。当过载振幅大,变形增加明显,极限荷载明显降低。

5。计算负荷能力

根据实验研究中华人民共和国与销售经理碳纤维布加固梁条和力平衡的中华人民共和国与碳纤维布加固梁的抗弯承载力得到条如下: 在哪里 的轴向抗压强度是混凝土和 和 混凝土翼缘板和腹板的宽度,分别。 混凝土梁的高度。 的高度是混凝土压缩区。 和 设计价值的抗拉和抗压强度的拉伸和压缩钢铁增援,分别。 是预应力钢的抗拉强度设计值增援。 , , ,和 强度钢的横断面地区增援,压缩钢铁增援,预应力钢增援,碳纤维增强塑料条,分别。 , , ,和 是距离的合力点强度钢增援,压缩钢铁增援,预应力钢增援部队,和碳纤维增强塑料带的近侧部分,分别。 弹性模量的碳纤维增强塑料条。 是碳纤维增强塑料的容许抗拉应变, 。

每个试件的极限荷载计算的有限元方法进行了总结,和极限载荷计算的理论公式与试验结果相比,如表所示2。

表2
比较模拟值,理论值和实验值。

可以看出,模拟值和理论值的每个标本的极限载荷是在良好的协议与实验值,这说明建立的模型合理,和载重量计算公式的计算结果具有较高的精度,可以应用于实际的工程计算。

6。结论

基于数值分析、实验验证和理论分析,研究了中华人民共和国与销售经理碳纤维布加固梁的弯曲行为。得到了以下结论:(1)通过实验验证了建立的模型,计算结果与实验结果良好的协议,这表明它是可行的使用模型来分析中国与销售经理碳纤维布加固梁的弯曲行为。(2)直接加强梁、混凝土强度等级(C30∼C70)中华人民共和国对承载能力有一定的影响加强了碳纤维增强塑料条。与混凝土强度的增加,开裂荷载基本不变,屈服载荷略增加,和极限载荷显著改善。与加强梁与C30强度等级,另外加强梁是增长了16.8%,20.0%,20.9%,和21.3%,分别。混凝土强度等级超过网时,改进的极限载荷随混凝土强度等级的增加有限。碳纤维增强塑料条(越大n= 2,4,6,8,10),极限载荷越高。与unstrengthened梁相比,极限荷载增加了4.1%,12.5%,18.8%,20.2%,和23.0%,分别。当碳纤维增强塑料条的数量超过6,碳纤维增强塑料带的力量不能被充分的利用。(3)当超载幅度小于60%的极限载荷,周期数(500次)屈服载荷影响很小,极限荷载和变形。当超载幅度高于60%的极限载荷,周期数的极限荷载和变形产生影响。循环数的增加,变形增加,而极限载荷降低了。与过载振幅的增加,极限载荷降低,变形增加相同的周期数。当过载振幅很小,极限荷载和变形的变化很小。当过载振幅大,变形增加明显,极限荷载明显降低。(4)中华人民共和国抗弯承载力的公式与销售经理碳纤维布加固梁条成立。计算结果与实验结果良好的协议。这个公式是合理的,可以应用于实际工程的计算。

数据可用性

研究中使用的部分或全部数据可从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢中国研究来自美国国家科学基金会的资助(批准号52078306)和辽宁省自然科学基金(批准号。2021 - bs - 278、2019 - zd - 0552, 2019 - ms - 158,和2020 - bs - 262)。