BFRP層數(shù)對(duì)加固木梁抗彎性能研究
2015-07-20
木材是一種取材容易，加工簡(jiǎn)便的結(jié)構(gòu)材料，在中國(guó)傳統(tǒng)建筑中被廣泛應(yīng)用。鑒于在保留傳統(tǒng)木建筑歷史風(fēng)貌方面的優(yōu)勢(shì)，纖維布越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的維修加固工程，而玄武巖纖維布又以其具有較高抗拉強(qiáng)度和彈性模量，同時(shí)還有良好的粘合性、耐熱性及抗腐蝕性等特點(diǎn)在工程加固方面逐漸顯示出優(yōu)越性。玄武巖纖維布在一定程度上可以代替各種纖維增強(qiáng)材料制品，但成本卻更低，更適宜采用。本文利用通用有限元軟件ANSYS12.0對(duì)不同粘結(jié)層數(shù)的加固木梁進(jìn)行有限元分析，建立了相應(yīng)的有限元模型，比較了不同粘結(jié)層數(shù)下木梁的極限荷載情況，為木梁設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
1 BFRP加固木梁有限元模型的建立
1.1 模型及材料參數(shù) 選取木材為樟子松，建立了對(duì)比木梁及三根不同粘貼層的簡(jiǎn)支木梁的有限元模型，其基本物理力學(xué)性能如表1所示。玄武巖纖維布厚度為0.111mm，其他基本物理力學(xué)性能見(jiàn)表1。
對(duì)比梁及加固梁均為矩形截面b×h=100mm×200
mm，跨度1500mm。模型方案及編號(hào)見(jiàn)表2。
1.2 單元選擇 木材和墊塊均選用Solid45單元，Solid45單元用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)，單元通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)沿著xyz方向平移的自由度。該元素有塑性、徐變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形、大應(yīng)變和模擬各向異性等能力，并提供帶有沙漏控制的縮減選項(xiàng)。BFRP采用Solid46空間實(shí)體單元進(jìn)行模擬。Solid46單元為8節(jié)點(diǎn)3D實(shí)體單元Solid45的一種分層形式單元，該單元用于模擬分層殼或著實(shí)體。它的每個(gè)結(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，可以用來(lái)建立疊層殼體或?qū)嶓w的有限元模型，每個(gè)單元允許125層的厚度在單元面內(nèi)成雙線性變化的不等厚材料層，同樣允許有250層的等厚度材料層。Solid46單元的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)多于250層的復(fù)合材料可以用幾個(gè)單元疊加的方式來(lái)建立模型，并允許沿厚度方向的變形斜率可以不連續(xù)，而且用戶也可以輸入自定義的本構(gòu)矩陣。該單元有一個(gè)等效的橫向剛度，允許橫向上存在非零應(yīng)力、應(yīng)變和位移。它可以指定失效準(zhǔn)則。與8節(jié)點(diǎn)殼單元相比，其單元的階次要低。
1.3 建立有限元模型 為了保證木梁和墊塊兩者的節(jié)點(diǎn)可以變形協(xié)調(diào)，采用先劃分單元，然后將節(jié)點(diǎn)合并的方法，并采用相同的加載方式對(duì)其進(jìn)行模擬分析。長(zhǎng)度方向用邊界長(zhǎng)度為50mm的單元來(lái)劃分網(wǎng)格，其他方向采用25mm的單元進(jìn)行劃分。建成后的模型如圖1所示。
2 模擬結(jié)果及分析
經(jīng)過(guò)ANSYS程序的有限元計(jì)算，得到對(duì)比梁及BFRP約束木梁的最終應(yīng)力云圖，如圖2～圖5所示。最終得到極限荷載模擬值如表3所示。
從模擬的應(yīng)力圖及數(shù)值對(duì)比可知，利用玄武巖纖維布進(jìn)行加固并非粘結(jié)層數(shù)越多越好。加固后木梁的承載力相對(duì)未加固的木梁有所提高，粘結(jié)兩層BFRP布的提高幅度比粘結(jié)一層的高，雖然加固木梁的承載力隨著粘結(jié)層數(shù)的增加而逐步增大，但是增加幅度并非與玄武巖纖維布的增加層數(shù)成正比，而是趨于平緩。對(duì)與實(shí)際結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件，其受彎時(shí)，木材木節(jié)處往往有應(yīng)力集中，使其破壞時(shí)多沒(méi)達(dá)到木材的極限承載力，對(duì)木材的性能不易得到較準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。本模型模擬時(shí)為均勻模型，排除了木節(jié)等缺陷對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，其在達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)前，BFRP與木材試件之間粘結(jié)可靠，不發(fā)生相對(duì)滑移，保持應(yīng)變協(xié)調(diào)。
3 結(jié)論
本文分別對(duì)粘貼不用層數(shù)玄武巖纖維布的木梁進(jìn)行抗彎加固模擬，根據(jù)其破壞形態(tài)及極限承載力結(jié)果的分析得到以下結(jié)論：玄武巖纖維布粘貼層數(shù)越多，構(gòu)件承載力提高幅度越大，但并不是與粘貼層數(shù)成正比。隨著玄武巖纖維布層數(shù)的增加，纖維布與加固構(gòu)件之間的有效粘結(jié)長(zhǎng)度沒(méi)有增加，且構(gòu)件上部受壓強(qiáng)度一定，極限承載力提高幅度增長(zhǎng)率降低。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體加固需要，并考慮經(jīng)濟(jì)性，合理選擇纖維布的層數(shù)。
