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基于非线性理论的钢筋混凝土梁在ANSYS的应用
作者：白成名 陈丽萍
来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2011年第09期
摘要：对于负载混凝土梁的ANSYS非線性分析，基于四道纤维布加固钢筋混凝土试验T梁为例详细的分析了加载前后T梁应变的变化情况；将ANSYS计算值与实测值进行比较，结果表明该方法精度较高；分析表明ANSYS在分析纤维布加固梁的过程中是可行的，并且加固效果颇佳。
关键词：ANSYS 纤维布 加固 1 有限元法的简介
有限元分析法起源于20世纪50年代，经过几十年的发展，如今已广泛应用于核工业、石油化工、航空航天、能源、土木工程、水利、医学、等工业领域及科学研究。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；本次试验模型的分析模拟过程就是利用ansys的非线性分析强大功能。 2 有限元模型
2.1单元类型 本次加固背景为工程中的实桥，并且在加固前后进行效果分析中选择其中一孔进行数据分析，软件模拟亦然。该桥为早期预应力混凝土桥梁，其混凝土标号为C30，内部配有12根IV级钢筋。其混凝土和钢筋的参数如下：梁长：22.2米，混凝土：Ec＝
30000Mpa，fcm＝23.3Mpa，ft＝1.65Mpa，预应力钢筋：Es＝200000Mpa，Ry＝550Mpa，fy＝440Mpa，As＝9.07cm2。
加固材料主要采用日本产东丽CFRP布，粘结剂为环氧树脂，主要参数如下：环氧树脂粘结剂：厚度ta＝0.2cm，Ea＝1.28cm，Ga＝5.5Mpa，la=21.4m。CFRP布：Ecf＝245000Mpa，fcf＝3400Mpa，εcfu＝1.5％，t＝0.05cm，lcf=21.4m。
故而在Ansys模型分析中，采用如下的单元：①混凝土材料模型采用SOLID65单元。SOLID65单元用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型。该实体模型可具有拉裂与压碎的性能。在混凝土的应用方面，如用单元的实体性能来模拟混凝土，而用加筋性能来模拟钢筋的作用。当然该单元也可用于其它方面，如加筋复合材料（如玻璃纤维）及地质材料（如岩石）。
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该单元具有八个节点，每个节点有三个自由度，即x，y，z三个方向的线位移；还可对三个方向的含筋情况进行定义。本单元与SOLID45单元（三维结构实体单元）的相似，只是增加了描述开裂与压碎的性能。本单元最重要的方面在于其对材料非线性的处理。②钢筋材料模型采用LINK8单元。这种一种拉压单元，并且在轴向上起主要因素，每个节点有三个自由度，沿节点坐标系XYZ方向平动。本单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等特点。③CFRP片材模型采用SOLID46单元。此单元为8节点六面体单元，每个节点有三个自由度，即XYZ三个方向的位移，其明显的特性是具有100层不同厚度和不同主方向的材料层，且各层均为各向异性，SOLID46单元用来模拟纤维片材及其适合。 2.2单元网格划分 2.3加固梁梁体断面示意图
本次静载试验采用内力等效原则，即实际加载采用等代荷载的形式在测试截面产生的内力与标准车在测试截面产生的内力等效对测试孔进行测试。
2.4有限元方程求解 采用Newton-Raphson迭代法求解收敛容差采用ANSYS默认值。求解时采用多荷载步，每荷载步又设若干子步；为加速收敛，可打开线性搜索和预测器，正确选择收敛标准，收敛精度采用α=(5～10)% ，采用残余力的二范数控制收敛。
2.5计算结果及分析 加固后该桥在试验荷载1000kN作用下最大挠度为50.3mm，大于L/600=36.0mm；在加固后最大挠度34.9mm 3结论
结合某大桥工程实例背景，对该桥梁进行加固前后检测，对加固设计后梁体跨中的位移情进行比较分析，设计计算表明使用CFRP加固该桥可以做到不影响净空，施工方便简单等特点。通过本章内容可以得出以下结论：
①CFRP布加固桥梁不仅是完全可行的，且效果颇佳。
②加固后钢筋混凝土梁的结构挠度有了明显的降低，并且ANSYS在模拟过程中较好的实现了非线性状态下的分析过程，结果显示模拟值和实测值相差不大。
③负载情况下CFRP加固问题的理论公式在实际工程中得到了论证，尤其跨中挠度的求解上和工程中误差为12%左右，距离符合工程应用标准还有一定距离。建议采用一定的安全系数进行调整。并且在粘贴纤维布的过程中严格要求施工，这些施工管理都会对实测结果产生一定的影响，今后在类似的结构加固实例中要极为注意，为以后的负载加固工程提供了可借鉴的理论前提。 参考文献:
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