西南科技大学土木工程与建筑学院 绵阳 621010
摘要:BFRP 有施工方便，强度高，质量轻，耐久性好以及良好的绝缘性能与防火性能等综合性能，在木梁加固的研究中广泛的研究前景。随着科学技术的发展，利用有限元软件对材料进行模拟分析，能够较好地模拟材料在实际受力过程的变形情况和承载力，在很大程度上提高了研究结果的可靠性。本文就是应用ANSYS有限元模拟软件对BFRP加固木梁的抗弯性能进行数值模拟，在参考文献试验的基础上与ANSYS软件计算结果进行比对。试验结果得到的荷载—挠度曲线与数值模拟计算出来的曲线基本吻合，ANSYS计算所得的抗弯承载力与试验结果非常接近，能很好地模拟实际过程。
关键词:有限元分析； 数值模拟； 应变分析； ANSYS
Numerical?Simulation?Analysis?of?bending?bearing?capacity?of?Wood?Beams?strengthened?with?BFRP
Li Mengyi1 Huang Lingyao Wang Yixin
(1School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)
Abstract：BFRP has a wide range of research prospects in the research of wood beam reinforcement because of its convenient construction, high strength, light weight, good durability and good insulation and fire resistance.With the development of science and technology, the finite element software is used to simulate the deformation and bearing capacity of the material in the actual stress process, and the reliability of the research results is improved to a great extent. In this paper, ANSYS finite element simulation software is used to simulate the bending performance of wood beams strengthened by BFRP, and the results are compared with those of ANSYS software on the basis of reference test. The load-deflection curve obtained from the test results is in good agreement with the curve calculated by numerical simulation, and the bending capacity calculated by ANSYS is very close to the experimental resultsa, and it can simulate the actual process well.
Key words： Finite Element Analysis; Numerical Simulation; Strain Analysis; ANSYS
0 引言
数值模拟也叫计算机模拟。它依靠的是计算机技术，结合有限元，通过数值计算和图像显示，研究工程和物理问题乃至自然界各类问题。有限元分析是用单个比较简单的问题代替多个复杂问题后再求解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段[1]。在我国有大量珍贵的古代建筑，它们大多以木结构建造而成，由于气候和年代的久远，需要保存这些珍稀的古建筑，那就离不开对木梁的承载力的分析[2]。随着建筑科技的发展，工程师常用BFRP加固木梁来提高它的耐久性和防火性。本文应用现代计算机技术，用ANSYS有限元模拟软件对加固的木梁进行数值模拟，来分析BFRP加固木梁的抗弯承载力，得到更为准确的应力应变过程，为后续的工程研究提供参考。
1 试验概况
1.1 模型设计
1）木梁及垫块单元
木梁质地不均匀且正交各向异性的木材材料，主要表现在拉力、剪力作用下的脆性破坏，而在压力作用下产生塑性变形。针对木梁材料特点，在其有限元模型建立时采用Solid45单元。木梁的应力应变关系如图1所示[3-4]。
图1 木梁应力应变关系
注：Yc和Ycy分别为木材顺纹抗压强度和屈服强度；
Xc和Zc分别为木材横纹径向和切向的抗压强度；
Xcy 和Zcy分别为木材横纹径向和切向的抗压屈服强度；
Yt 为木材顺纹抗拉强度；
Xt 和Zt为木材横纹径向和切向抗拉强度；
?c 和?y分别为木材抗压应变和极限应变；
?t为木材抗拉应变。
2）BFRP单元
BFRP在试验过程中由于因为具有足够大的抗拉强度所以对木梁产生横向约束，完全处于弹性阶段，可视为完全离线弹性材料，因此我们的加固模型只需将 BFRP 的弹性本构关系与未加固木梁相叠加即可。实际中BFRP是通过结构胶粘结于木梁上的，但由于胶层厚度小，本次建模中忽略胶层的影响。在建立ANSYS模型时，只需考虑 BFRP 加固约束木梁的横向变形，
从而将BFRP各单元结点与木梁单元结点进行耦合。所以采用Shell41单元分析BFRP。其应力-应变关系如图2所示。
图8 螺旋缠绕加固木梁模型
2 实验结果与分析
2.1 荷载-挠度曲线对比
1）A组木梁模型
A组是没有加固，它具有较大的离散型，木梁本身的缺陷会对试验结果造成较大的干扰和影响，故参考文献[2]的木梁加载实验采用了三根不同的情况的木梁进行试验。从对比图可以看出未加固的木梁在受力过程中弹性阶段的曲线较长，塑性阶段非常得短，说明木梁在BFRP没有加固的情况下塑性变形不充分，但其整体与ANSYS模拟的曲线比较接近。A组木梁ANSYS与试验荷载-挠度曲线对比图如图9所示。
图9 A组木梁ANSYS与试验荷载-挠度曲线对比图
2）B组木梁模型
B组的ANSYS模拟曲线与试验所得曲线的走势非常接近。在相同荷载作用下，试验所得的跨中挠度始终大于ANSYS模拟的跨中挠度，在模拟计算时将底部此模型看成连续均质的材质。在经过加固后的木梁在塑性阶段的位移变形相比较A组木梁比较明显，而ANSYS模拟的情况下塑性发展得更好。B组有限元ANSYS模拟荷载-挠度曲线与试验荷载-挠度曲线对比图如图10所示。
图10 B组木梁ANSYS与试验荷载-挠度曲线对比图
3）C组木梁模型
C组的荷载—挠度曲线对比图与B组非常相似，试验所得曲线始终位于ANSYS模拟的曲线之下，ANSYS模拟的塑性发展更加充分，但C组ANSYS模拟木梁的最大跨中挠度大于试验得到的最大跨中挠度，由此可以看出ANSYS模拟木梁的延性较好。C组有限元ANSYS模拟荷载-挠度曲线与试验荷载-挠度曲线对比图如图11所示。
图11 C组木梁ANSYS与试验荷载-挠度曲线对比图
4）D组木梁模型
D组的对比图与C组非常相似（在此就不单独给出），在弹性阶段ANSYS模拟的曲线明显高于试验所得的曲线，ANSYS模拟曲线在此阶段的斜率较大，而试验的曲线较缓，增长速度慢。由于BFRP与木梁之间在ANSYS的模拟下不会产生相对滑移，所以整体性会更好。又因为ANSYS模拟木梁的最大跨中挠度也大于试验得到的最大跨中挠度，同理可得ANSYS模拟的木梁其延性更好。
2.2 承载力值比对
从表中可以看出ANSYS模拟的加固结果与试验所得的加固结果非常接近。在ANSYS的模拟过程中木梁与BFRP之间不会产生相对移动，但在试验过程中，随着荷载的加大，BFRP与木梁的胶结处肯定会发生一些剥离。B组加固木梁模型时仅在底部粘贴，胶结面相对较小因此试验承载力值与ANSYS承载力值的差距最小。D组由于是螺旋缠绕，BFRP与木梁的胶结面变大，自然产生相对移动的距离就大，与ANSYS模拟得到到承载力值差距较大。ANSYS计算承载力提升幅度对比表如表3。
3 结论
本文通过ANSYS有限元数值模拟，详细地分析了BFRP加固木梁抗弯承载力，主要结论如下：
（1）未经BFRP加固的木梁在加载过程中处于弹性阶段，没有发挥木料的延性，BFRP加固之后，可以充分发挥木料的延性使其承载力大大提高。采用环绕缠绕型加固方式可以很好额提高试件的整体性，从而提高木梁的抗弯承载能力。
（2）试验中BFRP完全处于弹性阶段，将 BFRP 的弹性本构关系与未加固木梁相叠加即可。在建立ANSYS模型时，只需考虑 BFRP 加固约束木梁的横向变形，从而将BFRP各单元结点与木梁单元结点进行耦合,就能很好地模拟BFRP加固木梁的情况。
（3）在ANSYS数值模拟和试验结果的对比中发现无论是荷载—挠度曲线还是计算承载力的误差较小，ANSYS可以很好地反映木梁的应力应变变化过程，且与实际比较符合。
综上所述，本文所研究的用ANSYS数值模拟BFRP加固木梁的抗弯承载力，既能模拟与实际相符的应力应变过程，又能节省试验时间和成本，在以后对试件的力学分析时可以多采用数值模拟的形式。
参考文献:
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[8] GB/T50329-2012 木结构试验方法标准[S].北京.中国建筑工业出版社.2012
论文作者:李梦依,黄玲瑶,王懿鑫
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/8/1
标签：木梁论文; 挠度论文; 曲线论文; 荷载论文; 承载力论文; 数值论文; 应变论文; 《防护工程》2019年8期论文;