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FRP加固钢筋混凝土梁有限元分析

Nasr Z. Hassan *, Alaa G. Sherif, Amal H. Zamarawy

Civil Eng. Dept., Helwan University, Cairo, Egypt

摘要：横向开口通常通过钢筋混凝土梁提供公共管道和管道。为了研究这一问题，本文采用有限单元法，用ANSYS v12，对57根梁进行了分析。Ibrain完成了50根试验梁的分写结果的比较。研究梁的宽度和高度尺寸分别为200*100mm和300*100mm。开口的中心线离最近的支撑的距离为225，300，350和400。方案（1）在开口周围是垂直和水平的碳纤维板，方案（2）在开孔周围的45度碳纤维板上的倾斜。除了水平方案外，方案（3）和方案（4）与方案（1）和方案（2）分别相同，只不过是用的玻璃板。方案（5）和方案（6）与方案（3）和方案（4）分别相同，但在U形梁中部的弯曲区域进行了加固。钢筋混凝土梁在静载作用下采用ansys12程序建模。本文对破坏载荷、裂纹分布、应变进展、破坏形式和能量吸收进行了分析。

2015年艾因夏姆斯大学。 由Elsevier B.V.制作和托管。这是一篇开放获取的文章

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1.引言

梁的腹板开口在实际应用中具有重要的作用，因为它为电气和机械管道提供了方便的通道。纤维增强聚合物（FRP）是一种广泛应用于钢筋混凝土结构修复和加固的新型材料。这种加固技术通常用于混凝土，其强度一般由弯曲而不是剪切来决定。然而剪切的缺陷经常存在于这种情况，此时有必要强化和改造以增强剪切能力。在这种情景之下，FRP筋的外部粘结被人范围是提高剪切能力的一种很有前途的方法。

矩形开口的存在导致了混凝土梁的开裂和极限强度以及刚度的下降。下降的程度受开口距离支座的距离、开口高度和开口长度影响很大，但是受拉力和压力强化的比率相对较小。事实上，这一参数的重要性来自于所建立的FRP层合板所需强化方案与CFRP或GFRP加固类型之间的关系。钢筋混凝土梁剪切去的开孔意味着梁的承载能力会降低。压缩区域附近开口的存在可以显著影响凉的最大容量和变形，因为开口的尺寸变大，带的极限容量显著减小，并且送带有开口的测试量的失效形式主要是剪切相关的列放在开口周围开始并通过压缩区传播。与原始梁小都出，修复后的梁表现出更柔和的相应并获得更低的极限载荷。

包裹梁的压缩区为压缩块提供了良好的连接[4]。在梁的整个跨度上延伸垂直层减少了纵向裂缝，从而充分利用了纵向纤维，并且梁的承载能力显着增加。与仅在梁底部使用CFRP板相比，在梁的底部和侧面使用CFRP板改善了响应[5]。必须为每个FRP系统建立最佳强度效应的FRP层压板，这取决于其厚度和机械性能[6]。在此研究中，围绕开放使用了各种强化方案。该调查包括实验程序和相应的数值分析。

2.研究过程

2.1样品设计和选材

对57个跨度为1800毫米的钢筋混凝土梁进行了数值分析，其中9个是控制梁，其中一个没有任何开口，四个梁的开口尺寸等于200 *100 mm，距离为225， 从开口中心线到边缘支撑的300,350和400毫米，最后四个控制梁的开口300*100毫米，在225,300,350和400毫米处也是如此。

另外48个加固混凝土梁再开口周围使用碳纤维和玻璃FRP加固，根据加固方案的类型将这些梁分为6组，每组包含8个类似于那些正在控制梁的梁。混凝土的极限抗压强度为25N/mm²。样品代码如表1所示，而施加的载荷和梁尺寸和加固如图1所示Ibrahim完成的实验梁考虑了均匀分布在和的影响；因此，在数值分析程序中，施加的载荷由8个等距集中载荷表示，与实验完全相同。

2.2加强计划

加固方案（1）是在开口周围的单层水平和垂直碳纤维板，加强方案（2）在开口周围45°碳纤维板上倾斜，除了水平，方案（3）和方案（4）与方案（1）和方案（2）分别相同，只不过是用的玻璃板。方案（5）和方案（6）与方案（3）和方案（4）分别相同，但在U形梁中部的弯曲区域进行了加固。层压厚度为0.12mm，而玻璃层压板厚度为0.23mm。在将复合材料粘合到混凝土表面之前特别注意表面处理，使用喷砂来粗才华混凝土表面知道露出聚集体，然后进行压缩空气清洁以出去灰尘和松散颗粒。一旦将表面支撑了所需的标准，就按照制造商的说明将环氧树脂混合。将环氧树脂固定在混凝土表面上。然后将FRP层压材料放置在环氧树脂上。方案类型的细节如图2所示。

3.数值分析

三位有限元程序ANSYS用于对7个梁进行数值分析。在分析中，采用适当的材料模型代表混凝土，钢筋，钢板和环氧树脂CFRP和GFRP层压板的行为。 除了对粘合行为界面元素进行建模之外，它们还在ANSYS手册集中进行了详细描述。

固体单元SOLID65用于模拟ANSYS中的混凝土。 实体单元具有八个节点，每个节点具有三个过渡自由度。 此外，该单元能够模拟塑性变形，在三个正交方向上开裂和破碎。 梁的支撑处的钢板使用SOLID45元件建模。 该单元具有八个节点，每个节点具有三个自由度 - 在x，y和z方向上的平移。 为了获得钢筋中的内部应变并将它们保持在正确的位置，遵循使用3D翼梁Link8元件的离散技术。 该单元具有两个节点，在x，y和z方向上具有三个自由度平移。 该元件也能够塑性变形。

使用层状固体元件SOLID46来模拟FRP层压板。 SOLID46是8节点结构固体SOLID45的分层版本，用于模拟分层厚壳或固体。该元素允许多达250种不同的材料层。该元素在每个节点处具有三个自由度：在节点x，y和z方向上的平移。只有四分之一的梁被建模以利用#39;ANSYS#39;中的对称性。将网格取正方形以获得测试结果的良好结果;它被取为10*10*10 mm，如图3所示。命令合并项合并具有相同位置的单独实体。然后，这些项目将合并为单个实体。合并已经网格化的模型中的实体时必须小心，因为合并发生的顺序很重要。需要位移边界条件来约束模型以获得唯一的解决方案。使用的模型关于两个平面是对称的。限定穿过梁横截面中心的垂直平面的节点限定了对称平面。要对对称进行建模，此平面上的节点必须在垂直方向上进行约束。因此，这些节点具有自由度约束UX = 0.其次，在Z = 0处选择的所有节点定义另一个对称平面。给这些节点约束UZ = 0。支撑件的建模方式是创建了一个滚轮。板上的单个节点线在UY和UZ方向上给出约束，以恒定值0施加。通过这样做，允许梁在支撑处旋转。

在该研究中，施加的总载荷被分成一系列载荷增量（或）载荷步骤。 Newton-Raphson平衡迭代在每个负载增量结束时提供容差范围内的收敛。 ANSYS程序中的自动时间步进可预测和控制需要最大和最小负载步长的负载步长。

4.理论结果

图4和5分别示出了具有200*100mm和300*100mm的开口尺寸的梁的承载能力。 从图中可以清楚地看出，加强方案提高了控制梁的承载能力，这与Grace等人的观点一致。[5]。 分析结果表明，加固方案减少了梁在其弯曲区域（中间部分）的偏转，加上使用玻璃纤维板加强开口区域，可以在使用方案时均衡使用一层碳板（CFRP）的情况（1）并使用计划（2）没有获得更大的强度，因此可以得出结论，CFRP层压板的垂直强度布局比45°的倾斜更有效，这与Ibrahim [2]一致。

5.载荷偏差关系

参考表2，验证Ibrahim [2]的实验梁与分析的梁;可以注意到，在相同负载水平下具有加强开口的所有梁的测量偏差小于控制梁B2至B9（具有开口）并且大于控制梁B1（没有开口）的那些。这意味着加强过程有助于梁重新获得部分（而不是全部）刚度，这种刚度因开口的形成而损失。刚度恢复的量取决于强化材料的类型以及其方案。另一方面，在使用玻璃纤维板加强开口区域时加强梁的弯曲区域（其中间部分）可以使使用一层碳板（CFRP）的情况相等。 （1）并使用计划编号。 （2）没有获得更大的强度，因为可以得出结论，CFRP层压板的垂直强度布局比45°的倾斜更有效，这与Ibrahim [2]一致。

6.剪切强度

裂缝和破坏剪切强度的理论值作为分析梁的相对值由等式（1.1）计算。从图中可以清楚地看出。 9和10的值（q_us/q_uo），这是相对失效剪切强度主要受加强方案，类型和#39;S / a#39;比率的影响。从图10中可以看出，在300mm距离处产生300times;100mm的开口的梁具有最大剪切强度，因为该距离与ECP203-2007规定的临界剪切距离一致，该距离是距支撑面的d/2。

图9加强方案对开口200*100 mm的相对破坏剪切强度的影响。

图10加强方案对开口300*100 mm的相对破坏剪切强度的影响。

7.结论

通过使用ANSYS进行开孔并使用CFRP或GFRP层压板加固的钢筋混凝土梁进行的试验，可得出以下结论：1.使用FRP板加固开口区域的梁可显着提高其整体刚度，并恢复由于开口产生而损失的部分刚度。

2. 当使用一层GFRP层压板时，失效载荷主要受加强方案的影响，受间距“S”的影响较小。

3.加强方案3和加强方案4使用两层GFRP层压板的图4给出的近似极限载荷等于使用方案1而不是方案2用CFRP和GFRP层压板加固，这意味着层数没有显着影响，总贡献由一层完成。

4.对于S = 400 mm（S = 0.2L），两个开口尺寸（200*100和300*100 mm）的最大载荷 - 反射曲线和最高承载能力。

5.正确选择玻璃纤维板的强化方案可以使它们与更昂贵的碳纤维板处于同一水平。

6.方案2和方案5的相对极限剪应力很大。

7.方案5和方案6吸收的能量最高。

参考文献：

[1] Ahmed Arafa Mahmoud. Effect of opening on strength and serviceability of RC beams. Cairo University; 2010.

[2] Ibrahim Venees Faied. Strengthening of R.C beams with opening created after casting using F.R.P. Faculty of Engineering Helwan University M. Sc. Thesis.

[3] Abu-Amirah Amir F., Haggag Hesham A., Torkey Akram A., Abdalla Hany A. Behavior of concrete beams with openings strengthened with CFRP fabrics. Structural Composites for Infrastructure Applications, Aswan, Egypt; December, 2002.

[4] Emara Mohamed Basil H., El Sayed Tarek A., Refaat Wael. Retrofit of shallow RC beams with openings. Structural Composites for Infrastructure Applications, Aswan, Egypt; December 2002.

[5] Grace NF, Sayed GA, Soliman AK, Saleh KR. Strengthening reinforced concrete beams using fiber reinforced polymer (FRP) laminates. ACI Struct J 1999;96(5).

[6] Kachlakev Damine. Finite element modeling of reinforced concrete structures strengthened with FRP laminates. Ph. D. Thesis, California Polytechnic State University, San Luis Obispo, CA 93407; 2001.

（因为提供的论文字数不够要求，以下是从参考文献中找到的一篇外文文献，将其翻译成中文）

Polymers in concrete a vision for the 21st century

混凝土中的聚合物：21世纪的愿景

摘要：混凝土中的聚合物在过去的25年中受到了广泛的关注。聚合物浸渍混凝土（PIC）是第一种广泛宣传的混凝土聚合物复合材料。 PIC具有优异的强度和耐久性，但几乎没有商业应用。聚合物混凝土（PC）在20世纪70年代成为众所周知的，用于修复，用于室内和桥梁的薄覆盖层以及预制构件。聚合物改性混凝土（PMC）主要用于修复和覆盖。一些限制减缓了混凝土聚合物材料的使用。然而，这些材料有许多当前和未来的用途，它们将有效地利用它们的独特性能。改进的自动化修复方法，材料的改进，金属的替代品，结构应用和建筑构件将被证明是混凝土 - 聚合物材料的流行用途。 Oacute;1999由Elsevier Science Ltd.出版。保留所有权利。

关键词：混凝土;聚合物;混凝土 - 聚合物材料;聚合物浸渍混凝土;聚合物混凝土聚合物改性混凝土; Latexmodireg;混凝土;修理;叠加;预制

引言

在

资料编号：[3323]