P-TRC板加固梁抗弯性能的有限元模拟分析.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology1932第 54 卷第 16 期 2023 年 8 月Vol.54 No.16 Aug.2023PTRC 板加固梁抗弯性能的有限元模拟分析薛红京1，张国伟2，束伟农1，秦昌安2，蔡 青1，吴伊然2（1.北京市建筑设计研究院有限公司，100045，北京；2.北京建筑大学工程结构与新材料北京高等学校工程研究中心，100044，北京）摘要：提出了一种内嵌预应力纤维织物增强混凝土板（PTRC板）加固混凝土梁的方法，为了减少现场湿作业，板梁之间采用射钉连接。通过有限元建模分析，对比既有试验数据，验证了混凝土本构与纤维织物本构的准确性和数值方法的可靠性。在此基础上，分析了预应力水平、混凝土强度、纵筋配筋率和PTRC板配网率等因素对加固梁抗弯性能的影响。有限元分析结果表明：纵筋配筋率与PTRC板配网率的提高降低了织物的利用率；加固梁的屈服荷载随预应力和配网率的提高分别增加了 7.2%22.3%和5.4%22.4%；极限荷载随预应力水平和配网率的提高分别增加了 11.6%21.7%和 12.3%34.3%。使用射钉将PTRC板与梁底部连接，此种施工方法快捷方便，契合了建筑工业化的趋势。关键词：钢筋混凝土梁；碳纤维织物；射钉加固；有限元模拟中图分类号：TU 599 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)16-1932-06FINITE ELEMENT SIMULATION ANALYSIS OF FLEXURAL BEHAVIOR OF BEAMS STRENGTHENED WITH PTRC PLATESXUE Hong-jing1,ZHANG Guo-wei2,SHU Wei-nong1,QIN Chang-an2,CAI Qing1,WU Yi-ran2(1.Beijing Institute of Architectural Design Co.,Ltd.,100045,Beijing,China;2.Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Civil Engineering Structure and Renewable Material,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,100044,Beijing,China)Abstract:A method of strengthening concrete beams with prestressed fiber fabric reinforced concrete slabs(PTRC)was proposed.In order to reduce the wet work on site,the plates and beams are connected with nails.Through finite element modeling analysis and comparison of existing test data,the accuracy and reliability of numerical methods of concrete and fiber fabric constitutive models were verified.On this basis,the influence of prestress level,concrete strength,longitudinal reinforcement ratio and PTRC plate distribution ratio on flexural performance of strengthened beams was analyzed.The results of finite element analysis show that the increase of longitudinal reinforcement ratio and PTRC plate distribution ratio reduces the utilization ratio of fabric.The yield load of the strengthened beam increases by 7.2%22.3%and 5.4%22.4%with the increase of prestress and distribution ratio,respectively.The ultimate load increases by 11.6%21.7%and 12.3%34.3%with the increase of prestress level and distribution network ratio,respectively.The PTRC plate is connected with the bottom of the beam by using shooting nails.This construction method is fast and convenient,which conforms to the trend of building industrialization.Keywords:reinforced concrete beam;carbon fiber fabric;nail reinforcement;finite element simulation2021 年 7 月 19 日，建设工程抗震管理条例明确了建筑抗震应当坚持以人为本、全面设防和突出重点的原则。北京乃至全国的一些既有建筑，如中小学校舍、医院等重点设防类建筑，需要利用加固措施来提升混凝土构件的安全性。作为一种高性能新型复合材料，纤维编织网增强混凝土（Textile Reinforced Concrete，TRC）因其优良的性能受到人们的关注，这种材料主要由具有良好受力性能的纤维网格织物和细骨料混凝土结合而成13。TRC 材料由于其轻质高强、耐腐蚀和施工便捷等特点在工程中得到了广泛应用，在混凝土构件加固领域具有广阔前景45。目前，TRC 在混凝土结构加固工程中的应用方法主要为层铺法，首先将砂浆平铺于待加固构件表面，随后铺设一层或多层纤维织物6，最后铺设一层砂浆作为覆盖层。在实际加固过程中，也可直接采用预制的 TRC 复合板，从而减少由于层铺法湿作业工作量大对施工效率的影响。此外，通过对织物施加预应力，PTRC 板件的开裂荷载得到了显著提升，用其加固后的钢筋混凝土梁承载力能够明显提高78。收稿日期：20230512作者简介：薛红京（1973），男，河南开封人，教授级高级工程师，硕士，e-mail:.2023 年 8 月1933薛红京，等：PTRC 板加固梁抗弯性能的有限元模拟分析应用 PTRC 板加固混凝土梁的研究较少，且前人研究均采用高性能水泥基、无机砂浆等胶粘剂将 PTRC 板粘贴在被加固构件上911，较少采用射钉将PTRC 板与混凝土构件连接在一起。基于此，本文采用射钉连接方式，开展了 PTRC 板加固梁抗弯性能有限元模拟，分析了预应力水平、PTRC板配网率、纵筋配筋率和混凝土强度对混凝土梁抗弯刚度、开裂荷载、屈服荷载和极限荷载的影响。1 模型参数确定1.1 模型尺寸为了分析 PTRC 板加固混凝土梁工作性能，根据 GB500102010混凝土结构设计规范12要求来设计模型，如图 1 所示。梁长为 3 200 mm，计算长度为 3 000 mm，梁截面尺寸为 200 mm400 mm，混凝土强度为 C30，架立筋与箍筋均采用 HPB300 钢筋，且直径为 10 mm，纯弯段箍筋间距为 200 mm，弯剪端箍筋加密间距为 80 mm，纵筋采用 HRB400 钢筋，且直径为 18 mm。1001003 2003 0001080/200210218（a）（b）图 1 模型几何尺寸示意（a）试验梁尺寸及配筋示意；（b）梁截面配筋示意1.2 加固方案为了进行加固梁抗弯性能分析，需在梁底（受拉侧）用射钉对 PTRC 板进行固定。其中，射钉长度为 40 mm，间距为 150 mm，为了精准确定位射 钉 位 置，在 PTRC 板 上 划 分 50 mm50 mm 的定位网格，并对一些射钉进行 20 mm 偏移，防止射钉与预应力碳纤维织物网重合。PTRC 板尺寸为2 800 mm200 mm20 mm，碳纤维织物网格尺寸为20 mm20 mm，如图 2 所示（其中三角形为射钉偏移后的位置）。1001001001002 800（a）（b）图 2 加固方案与射钉布置示意（a）钢筋混凝土梁加固示意；（b）射钉布置示意2 有限元模型建立2.1 模型单元选取与网格划分在通用有限元软件中建立模型，分析加固梁的力学性能。混凝土采用三维线性减缩积分六面体单元C3D8R，射钉与钢筋采用三维二节点杆单元 T3D2。为了提高计算模型的收敛性和节约时间成本，预应力碳纤维织物也采用三维二节点杆单元 T3D2，部分单元有限元模型如图 3 所示。（a）（b）图 3 部分单元有限元模型（a）碳纤维织物模型；（b）PTRC 板模型网格的确定需要综合考虑梁尺寸和计算精度要求，混凝土与钢筋选用的网格尺寸为 50 mm，对 PTRC 板中碳纤维织物网的网格尺寸进行细化，以提高重要部位的计算精度，部分单元有限元网格划分如图 4 所示。2.2 模型界面处理与边界条件PTRC 板与混凝土构件：所有工况下均使用射钉将 PTRC 板打在混凝土梁上，射钉与混凝土之间的滑移量很小，将射钉内置于 PTRC 板和梁中。为了建模的易操作性和模拟分析的准确性，将 PTRC板与混凝土的贴合界面设置为法向“硬接触”，且将摩擦系数设置为 0.6。建 筑 技 术第 54 卷第 16 期1934（a）（b）图 4 部分单元有限元网格划分（a）PTRC 板网格划分；（b）整体模型网格划分碳纤维织物网与 PTRC 板：将碳纤维织物内置于混凝土中，碳纤维织预应力施加采用降温法，与其接触的部件即可获得真实预应力，通过改变不同程度的温度体现预应力水平。加载点与边界条件：根据简支梁受力特点，在左、右两侧梁端部中线处设置 RP 点并与面耦合，一端约束个方向的自由度（U1=0，U2=0，U3=0，UR2=0，UR3=0），另一端约束 4 个方向的自由度（U1=0，U2=0，UR2=0，UR3=0），在加载点处采用位移形式加载。2.3 模型的验证为了验证模型的合理性，根据前人的试验研究3，采用有限元软件对未加固试件和加固试件进行分析，有限元模拟和试验结果如图5所示。从图5可以看出，两种方式得到的荷载 位移曲线相似度较高，表明本文提出的有限元建模方法能够较好地模拟组合梁的受力性能。3 钢筋混凝土梁抗弯承载力分析本文共设计 1 个未加固工况，15 个加固工况，分别以纵筋直径、混凝土强度、PTRC 板配网率和预应力水平 4 个参数为变量进行有限元模拟，分析了不同工况下 PTRC 板加固梁开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和抗弯刚，具体见表 1。模型采用四分点位移加载，直到破坏，破坏时M0 梁与 M2 梁的最终模拟结果如图 6（其中，DAMAGET 表示受拉损伤）、图 7 所示。结果表明，本文钢筋混凝土梁加固方法在抗弯刚度和承载力方面具有明显优势，其中开裂荷载、屈服荷载和极限荷载 510152025303540020406080100120140160180载荷/kN位移/mm 模拟 试验 载荷/kN位移/mm510152025303540020406080100120140160180 模拟 试验（a）（b）图 5 有限元模拟和试验结果（a）未加固试件；（b）加固试件表 1 模型基本参数及变量分组 模型编号纵筋直径/mm混凝土强度/MPaPTRC 板配网率（织物层数）预应力