摘要：通过将碳纤维增强聚合物布（CFRP）与受拉面相结合，钢梁的受弯性能可以得到加强。这种加固梁可能会由于在一个板端开始的CFRP的剥离或由于在局部损伤开始的剥离而失效。本文介绍了钢梁的有限元模型，使用有限元方法对CFRP加固钢梁破坏进行模拟。
关键词：CFRP；有限元分析；构件屈曲；CFRP剥离
引言
与混凝土梁类似，钢梁或钢-混凝土组合梁（以下简称为钢梁）可以通过将FRP（通常是CFRP）粘贴到受拉面上从而使受弯性能得到加强。这种梁在这里称为FRP加固钢梁。由于CFRP的刚度较高，在钢结构的加固中，CFRP通常比GFRP等其它FRP更受青睐，因此本文仅关注CFRP的加固。为了便于讨论，只考虑简支梁。碳纤维增强复合材料的抗弯强度可同时提高其刚度和强度
CFRP加固梁的承载力可由多种可能的破坏模式中的一种或多种控制，包括：（a）平面内弯曲破坏；（b）侧向屈曲；（c）CFRP板端剥离。其他失效模式包括：（e）抗压边缘屈曲；（f）腹板局部屈曲。在这些失效模式中，CFRP板的剥离在CFRP加固钢梁的试验中被发现是常见的。CFRP板的承载能力取决于脱粘时CFRP的贡献，而脱粘时CFRP的贡献又取决于粘结层的粘接应力传递。因此，准确地模拟碳纤维布与钢接触面的粘结行为在脱粘失效的理论建模中显得尤为重要。
如上所述，在CFRP加固的钢梁中，可能会有板端和中间剥离。中间剥离开始于缺陷的存在，然后向FRP板的应力较低的地方传播。这种脱粘与FRP加固混凝土梁中的中间裂缝剥离类似，主要受界面剪切应力的影响。
1 有限元模型
使用ABAQUS建立了模型，根据表1-1所示的精确尺寸（模拟构件长度为1100mm）和简支支撑条件，选择通用壳单元，适用于型钢和CFRP板，而利用COHD8对粘结层进行建模在有限元分析。在有限元模拟中，分析在达到极限荷载后立即终止。采用正交各向异性材料处理碳纤维布模型。需要注意的是，虽然有限元模型所采用的几何缺陷和残余应力不一定是准确的，和测试光束中的一样，它们对预测的影响是非常有限的：几何的不完善对由钢截面屈曲控制的极限荷载前的荷载-位移曲线，残余应力仅对曲线靠近的边坡有一定的影响屈服荷载。
表1-1有限元模型具体参数
2 模型破坏
有限元分析中这三根梁的破坏都是由于碳纤维布的板端剥离而失效。在CFRP板端剥离时，可能会突然释放能量，这是因为脱粘传播是界面法向应力和界面剪切共同驱动的动态过程压力。在此过程中，静态分析所预测的理想的剥离传播（即在预测的荷载-位移曲线上的脱开起始点后的部分）不会发生；相反，可能会发生突然的脱位传播。这意味着在测试中不会出现进一步的负载增加。
图1 L1破坏时的有限元模型
表2-1 构件极限荷载及对应的变形量
图2中显示了L4构件胶粘剂的纵向剪切应力图（左侧图是在92.06KN荷载作用下，右侧图是在118.3KN荷载下）。损伤在两个板端开始并传播，纵向剪切应力端部同样高
图2 L4构件胶粘剂的纵向剪切应力图
L1、L2、L3三个构件如图3所示。界面横向剪切应力的值是非常小的，所以在这里没有显示出来在有限元模型L1和L2中，破坏开始于荷载83KN，但是对于模型L3来说破坏开始于较小的荷载71KN，而且CFRP会导致较大的粘接应力。此外模型L3比模型L1和L2剥离发生时荷载较小。表明使用弹性模量大的碳纤维布加固的钢梁可能会在较小荷载下就发生剥离破坏。
图3 构件应力应变曲线
3 结束语
碳纤维加固钢梁，碳纤维布依赖于胶层进行应力传递，因此这类梁的极限荷载往往受其失效的影响粘合层。当使用一个短的碳纤维布板时，板端应力很大，破坏通常由板端开始。当使用较长的碳纤维布板时，板端应力较小，胶粘剂临界区可能移至中跨区域。在这种情况下，失效模式可能从板端剥离到中间剥离，钢截面受压屈曲，构件抗拉断裂。
CFRP板或钢截面的抗压边缘屈曲。研究还得出结论，当进行有限元分析时，得出了梁的极限承载力。采用所提出的有限元方法，对碳纤维布加固的钢梁进行了性能分析，发现：
（1）具有较高弹性模量或较大弹性模量的碳纤维布厚度通过板端脱扣导致极限荷载降低。
（2）短碳纤维布更容易发生板端剥离。
（3）失效模式可以改变成为中间债务或其他模式，如果采用足够长的碳纤维布板，则采用抗压边缘屈曲模型。
参考文献：
［1］马广阅． 低层建筑冷弯薄壁型钢结构构件的试验与理论研究 ［D］． 武汉：武汉理工大学，2010
［2］李国俊． 高强冷弯薄壁型钢方形加劲截面轴压柱直接强度法 研究［D］． 西安：西安建筑科技大学，2007
论文作者:王晓宣,王明,韩少杰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/21
标签：荷载论文; 碳纤维论文; 钢梁论文; 应力论文; 屈曲论文; 有限元论文; 模型论文; 《基层建设》2019年第19期论文;