摘要：采用CFRP布加固鋼筋混凝土梁時，CFRP利用率不高，本文運用ANSYS有限元分析軟件，對預應力CFRP增強混凝土梁進行非線性分析，得出以下結論：施加預應力可以提高CFRP的有效利用率，增加開裂荷載，改善構件的使用性能，并且隨著預應力的增大，CFRP的有效利用率也不斷提高。

　　關鍵字：預應力,CFRP布,鋼筋混凝土梁,有限元

　　1 引 言

　　纖維增強復合材料(簡稱FRP)憑借其比強度和比剛度高、施工便捷、耐疲勞性能和耐久性好等特點被廣泛應用到土木工程領域，利用FRP對混凝土結構進行加固取得了很好的效果。由于纖維布抗拉強度高，極限拉應變大，而混凝土的極限拉應變很小，當混凝土開裂或裂縫達到很大時，CFRP布的拉應力還很小，遠遠沒有達到其極限拉應力，使得CFRP布的高強度難以得到充分發揮，降低其有效利用率，對提高構件的承載能力和改善構件的正常使用性能有限，造成了材料的浪費。大量試驗結果表明[1-3]，采用預應力CFRP加固可以提高構件的承載能力和改善構件的使用性能，提高CFRP布的有效利用率。

　　本文利用ANSYS有限元分析軟件，對預應力CFRP布加固鋼筋混凝土梁進行非線性分析，以驗證預應力的施加對CFRP加固鋼筋混凝土梁的改善作用。

　　2 有限元模型

　　2.1 試件設計

　　梁截面尺寸為200mm×300mm，跨度3000mm，凈跨長2900mm，梁內受拉縱筋和架立筋為HRB335級，箍筋為HPB235級，混凝土強度等級為C30，縱筋直徑為16mm，架立筋直徑12mm，箍筋為6@150，在梁底部粘貼單層CFRP布進行加固，CFRP布的厚度為0.167mm，采用兩端對稱加載，加載點間距為900mm，如圖1所示。本文共設計分析5根梁， 1根為普通CFRP增強鋼筋混凝土梁(LI)，以作為對比試件，其余4根梁均為預應力CFRP增強鋼筋混凝土梁，施加的預應力大小分別為CFRP布極限抗拉強度的10%(L2)、20%(L3)、30%(L4)和40%(L5)，用以分析預應力大小對結果的影響。

　　圖1 CFRP布加固鋼筋混凝土梁示意圖

　　2.2模型建立

　　本文采用ANSYS有限元分析軟件，對預應力CFRP布加固鋼筋混凝土梁進行非線性分析，分析中采用如下假定：(1)FRP布與混凝土及混凝土與鋼筋粘結接良好，無相對滑移;(2)在受力過程中，FRP布的應變與鋼筋、混凝土的應變滿足變形協調原理;(3)混凝土梁在加固前后有足夠的抗剪承載力;(4)不考慮碳纖維布的剝離破壞。

　　由于幾何條件、荷載以及邊界條件的對稱性，故取二分之一梁進行建模。采用分離式模型，其中混凝土采用3D實體單元SOLID65模擬，鋼筋采用3D桿單元LINK8模擬，由于碳纖維布本身很薄，因此選用沒有抗彎剛度的SHELL41膜單元，由于假定了CFRP布與混凝圖之間粘結良好、沒有相對滑移，故建模時通過節點耦合來模擬無相對滑移。假定CFRP布與混凝土粘貼可靠，并且不考慮預應力損失，進行ANSYA分析時，采用升溫法對CFRP布施加預應力，CFRP布的線膨脹系數為負數，系數為α=-0.7E-6/℃，通過公式△T=σ/E/α即可求得當預應力水平分別是CFRP布的10%、20%、30%和40%時，需要溫度值分別為2610℃、5220℃、7830℃和10440℃。

　　3結果分析

　　本文共對5根CFRP布增強鋼筋混凝土梁進行了有限元分析， LI～L5主要分析結果如表2所示。

　　CFRP的有效利用率定義為極限狀態CFRP應力與CFRP布抗拉強度的比值。預應力的施加增加了CFRP的應力值，提高了CFRP布的有效利用率;隨著預應力的增加，反拱和CFRP的有效利用率逐漸增大。由于反拱在不引起梁上部開裂破壞的情況下，反拱值越大，梁的開裂荷載也越大，梁的跨中撓度也越小，改善了梁的使用性能，所以通過反拱的變化可以間接地得出，預應力的施加提高了構件的開裂荷載，改善了構件的使用性能，并且隨著預應力的增大，這種效果也在增強。

　　4 結論

　　本文通過ANSYSY有限元軟件，對5根CFRP增強鋼筋混凝土梁進行了非線性有限元分析，其中1根為未加預應力的，4根為預應力的，通過分析得出以下結論：

　　(1)預應力的施加提高了CFRP的有效利用率，并且隨著預應力大小的增大，CFRP的有效利用率也不斷提高，有效利用率達到了22.2%～58.5%，而非預應力的只有10.9%;

　　(2)通過反拱分析間接得出了預應力的施加增加了構件的開裂荷載，改善了構件的使用性能，并且隨著預應力的增大，這種效果也越明顯。

　　參考文獻：

　　[1] 張建偉，杜修力，鄧宗才等. 預應力芳綸纖維布加固混凝土梁的受彎性能研究[J]. 建筑結構學報，2006

　　[2] 尚守平，彭暉，童樺. 預應力碳纖維布材加固混凝土受彎構件的抗彎性能研究[J]. 建筑結構學報，2003

　　[3] 孔琴. 預應力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁受彎性能的試驗研究[D]. 鄭州大學碩士學位論文. 2005