预应力混凝土空心板力学性能研究.doc

用预应力碳纤维布加固预应力混凝土空心板力学性能研究摘要：基于有限单元法的方式，这次研究采用FEAANSYS软件来分析使用预应力碳素纤维加固预应力混凝土。考虑材料特性和几何线性。对不同等级的预应力混凝土的开裂荷载、极限荷载和扭曲荷载进行比较和分析。结果选用预应力的应力变化特征，失效模式和合理程度。结果表明使用预应力碳纤维布对混凝土空心板的加固具有明显效果。通过比较没有使用预应力碳纤维布的混凝土空心板，那些使用了预应力碳纤维布的混凝土的力学特征改善明显。通过这次试验分析抗张强度，合理的碳纤维布预应力应该为30%。关键词：使用预应力碳纤维布加固预应力混凝土；预应力的程度；仿真分析；开裂荷载；极限荷载；抗弯刚度。介绍在近几年，像碳纤维布这种有极好的抗张强度和方便控制的新型材料已经被广泛的使用在日常工作中。大量的学术研究者和专家在国内或国外深入研究使用碳纤维增强复合材料加固结构。WeiAn和Saadatmanesh通过普通的RC横梁的设计和计算方式推理出新型的复合材料的RC横梁的抗弯承载力公式以及分析影响因素。TomNorris等人测试了19种使用碳纤维布加固的RC简支横梁的抗弯强度或者抗剪强度。结果表明碳纤维布的添加方式对试样的承载能力、刚性、失效模式有着显著地影响。YeLieping等人测试了使用碳纤维布加固的RC横梁的抗弯强度，深入研究了加固结构的弯曲破坏模式、极限状态和设计要求，并且分析了诸如使用碳纤维布的量、配筋率和基于加固的性能测试上的“二次惯性力”等具有影响力的因素。DengZongcai分析了碳纤维布积层数、横梁的主要配筋率和使用碳纤维布加固后的RC横梁的承载能力的影响。以及做了实施模式的测试。但是通过大量的测试和理论原理分析中，我们可以发现尽管碳纤维布和RC横梁共同在外加荷载作用下工作，但是当钢筋到达屈服强度的时候，碳纤维布的压力依然远远没有达到抗张强度极限，这也就意味着，我们没有使碳纤维布发挥全部的功效。近些年科学家尝试了多种方式来使碳纤维布发挥全部的功效。其中一种最具效果的方式就是在添加碳纤维布之前施加初始应力，这样能有效的利用碳纤维布的优异的抗张强度。这里有些关于使用了碳纤维布加固的T型梁的例子，但是这种加固混凝土空心板的方式几乎没有被报道过。这个实验采用一座跨径20m的混凝土空心板桥作为对象，使用FEAANSYS软件来进行仿真分析以取得应力特性和结构加固效果的结构，并且分析不同碳纤维布预应力程度的混凝土空心板加固时的开裂荷载，极限荷载和弯曲荷载的影响。通过这些分析，获取结构的应力特性、结构加固的失效模式以及关于碳纤维布预应力的合理程度。计算模式选用一座跨径为20m的空心板混凝土桥作为对象（选用的为空心板的标准图），截面尺寸为下图1图1.空心板预应力钢筋的布置在有限单元计算之前，根据普通钢筋的配筋率将整座桥沿纵向分成三个区域，效果如下图2图2.空心板的纵向分布区域I：布置密集的箍筋和纵向钢筋的区域；区域Ⅱ：布置密集的箍筋；区域Ⅲ：布置少量钢筋。种类为I-碳纤维布被用来作为此次的分析，它的各性能指标在下表1。在空心板的底板涂上一层碳纤维布。表1碳纤维布的工作指标2有限单元模式2.1有限单元分析与计算方案和单元类型的选择当建立有限单元模型的时候，我们假设普通加强筋分散在混凝土里。混凝土设定为3D物理单元65号固体。加固预应力设定为8号杆单元。碳纤维布设定为41号薄壳单元。所有单元类型通过公共节点连接。有限单元模型与分离形式和结合形式相组合。我们在建模时考虑材料种类和非线性几何形状。在处理非线性的有限单元分析时，由于应力集中的关系，混凝土在其上的荷载作用点处和支撑点处会过早的出现变形或者出现开裂的危险。这会导致计算的停止。所以为了处理有限单元的分析，我们必须先安装弹性垫片在上述提到的地方以避免应力集中。支撑处的作用是用来在弹性节点处施加约束。荷载作用在荷载区域。弹性垫片定义为3D物理单元45号固体。我们假设所有种类的材料为完整均匀的，没有相对滑动，不用考虑钢筋和混凝土(或者碳纤维布)的粘贴滑移情况。2.2混凝土、钢绞线、碳纤维布的结构关系混凝土中由二次抛物线和水平线组成的应力应变关系式：在公式里，混凝土极限压应变εu=0.0033;最大压缩变形ε0=0.002；最大压应力σ0=0.85fcx，fcx为圆柱体混凝土抗压强度标准值。在钢绞线的拉伸测试试验中，我们可以知道应力-应变曲线没有明显的屈服步骤。所以对钢绞线，我们用一种弹性模数来抵消屈变力并且用另一种弹性模数来抵消过量的屈变力。双虚线模式用来描述应力-应变关系：公式中，σ和ε分别为钢绞线的应力和应变；fpy为钢绞线的抵消屈变力，fpy大概为钢绞线极限应力的85%；E为钢绞线的弹性模数；E’为弹性屈服点的切线模数，数值大概为0.1E；εy为钢绞线的抵消屈服应变。由于碳