摘要：采用CFRP布加固钢筋混凝土梁时，CFRP利用率不高，本文运用ANSYS有限元分析软件，对预应力CFRP增强混凝土梁进行非线性分析，得出以下结论：施加预应力可以提高CFRP的有效利用率，增加开裂荷载，改善构件的使用性能，并且随着预应力的增大，CFRP的有效利用率也不断提高。
关键字：预应力,CFRP布,钢筋混凝土梁,有限元
1 引 言
纤维增强复合材料(简称FRP)凭借其比强度和比刚度高、施工便捷、耐疲劳性能和耐久性好等特点被广泛应用到土木工程领域，利用FRP对混凝土结构进行加固取得了很好的效果。由于纤维布抗拉强度高，极限拉应变大，而混凝土的极限拉应变很小，当混凝土开裂或裂缝达到很大时，CFRP布的拉应力还很小，远远没有达到其极限拉应力，使得CFRP布的高强度难以得到充分发挥，降低其有效利用率，对提高构件的承载能力和改善构件的正常使用性能有限，造成了材料的浪费。大量试验结果表明[1-3]，采用预应力CFRP加固可以提高构件的承载能力和改善构件的使用性能，提高CFRP布的有效利用率。
本文利用ANSYS有限元分析软件，对预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁进行非线性分析，以验证预应力的施加对CFRP加固钢筋混凝土梁的改善作用。
2 有限元模型
2.1 试件设计
梁截面尺寸为200mm×300mm，跨度3000mm，净跨长2900mm，梁内受拉纵筋和架立筋为HRB335级，箍筋为HPB235级，混凝土强度等级为C30，纵筋直径为16mm，架立筋直径12mm，箍筋为6@150，在梁底部粘贴单层CFRP布进行加固，CFRP布的厚度为0.167mm，采用两端对称加载，加载点间距为900mm，如图1所示。本文共设计分析5根梁， 1根为普通CFRP增强钢筋混凝土梁(LI)，以作为对比试件，其余4根梁均为预应力CFRP增强钢筋混凝土梁，施加的预应力大小分别为CFRP布极限抗拉强度的10%(L2)、20%(L3)、30%(L4)和40%(L5)，用以分析预应力大小对结果的影响。
图1 CFRP布加固钢筋混凝土梁示意图
2.2模型建立
本文采用ANSYS有限元分析软件，对预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁进行非线性分析，分析中采用如下假定：(1)FRP布与混凝土及混凝土与钢筋粘结接良好，无相对滑移;(2)在受力过程中，FRP布的应变与钢筋、混凝土的应变满足变形协调原理;(3)混凝土梁在加固前后有足够的抗剪承载力;(4)不考虑碳纤维布的剥离破坏。
由于几何条件、荷载以及边界条件的对称性，故取二分之一梁进行建模。采用分离式模型，其中混凝土采用3D实体单元SOLID65模拟，钢筋采用3D杆单元LINK8模拟，由于碳纤维布本身很薄，因此选用没有抗弯刚度的SHELL41膜单元，由于假定了CFRP布与混凝图之间粘结良好、没有相对滑移，故建模时通过节点耦合来模拟无相对滑移。假定CFRP布与混凝土粘贴可靠，并且不考虑预应力损失，进行ANSYA分析时，采用升温法对CFRP布施加预应力，CFRP布的线膨胀系数为负数，系数为α=-0.7E-6/℃，通过公式△T=σ/E/α即可求得当预应力水平分别是CFRP布的10%、20%、30%和40%时，需要温度值分别为2610℃、5220℃、7830℃和10440℃。
3结果分析
本文共对5根CFRP布增强钢筋混凝土梁进行了有限元分析， LI～L5主要分析结果如表2所示。
CFRP的有效利用率定义为极限状态CFRP应力与CFRP布抗拉强度的比值。预应力的施加增加了CFRP的应力值，提高了CFRP布的有效利用率;随着预应力的增加，反拱和CFRP的有效利用率逐渐增大。由于反拱在不引起梁上部开裂破坏的情况下，反拱值越大，梁的开裂荷载也越大，梁的跨中挠度也越小，改善了梁的使用性能，所以通过反拱的变化可以间接地得出，预应力的施加提高了构件的开裂荷载，改善了构件的使用性能，并且随着预应力的增大，这种效果也在增强。
4 结论
本文通过ANSYSY有限元软件，对5根CFRP增强钢筋混凝土梁进行了非线性有限元分析，其中1根为未加预应力的，4根为预应力的，通过分析得出以下结论：
(1)预应力的施加提高了CFRP的有效利用率，并且随着预应力大小的增大，CFRP的有效利用率也不断提高，有效利用率达到了22.2%～58.5%，而非预应力的只有10.9%;
(2)通过反拱分析间接得出了预应力的施加增加了构件的开裂荷载，改善了构件的使用性能，并且随着预应力的增大，这种效果也越明显。
参考文献：
[1] 张建伟，杜修力，邓宗才等. 预应力芳纶纤维布加固混凝土梁的受弯性能研究[J]. 建筑结构学报，2006
[2] 尚守平，彭晖，童桦. 预应力碳纤维布材加固混凝土受弯构件的抗弯性能研究[J]. 建筑结构学报，2003
[3] 孔琴. 预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁受弯性能的试验研究[D]. 郑州大学硕士学位论文. 2005
