CFRP筋混凝土梁力学性能的有限元分析模型-南京航空航天大学学报

反复荷载作用下预应力 CFRP 筋 HPC 梁的力学响应 张剑1石杏喜2周储伟1叶见曙3林晶3 （1. 南京航空航天大学航空宇航学院，江苏 南京 210016；2. 南京理工大学理学院，江苏 南京 210094； 3. 东南大学交通学院，江苏 南京 210096） 摘要对于预应力碳纤维增强复合材料（CFRP）筋高性能混凝土（HPC）梁，建立了预应力 CFRP 筋的组合壳单元模型和 GFRP 筋的分层壳单元模型，结合相关准则研究了预应力 CFRP 筋 HPC 梁的几何非线性和材料非线性，分析了反复荷载作 用下 HPC 梁的非线性力学响应。结果表明，单调荷载作用下预应力 CFRP 筋 HPC 梁的跨中挠度和 CFRP 筋应变的计算结果 与试验数据均吻合良好，证明了所提出单元的有效性和研制程序的正确性；反复荷载作用下预应力 CFRP 筋 HPC 梁的受拉 区配筋种类对 HPC 梁的力学响应具有显著影响，且梁体破坏时 CFRP 筋和 GFRP 筋均未达到相应的极限强度，所得结论供 HPC 梁设计参考。 关键词复合材料；反复荷载； CFRP 筋；HPC 梁；力学响应 Mechanical Reponses of HPC Beam with Prestressed CFRP RebarsMechanical Reponses of HPC Beam with Prestressed CFRP Rebars Subjected to Cyclic LoadingSubjected to Cyclic Loading ZHANG Jian1,SHI Xingxi 2,ZHOU Chuwei1,YE Jianshu 3,LIN Jing3 1. College of Aerospace, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Jiangsu Nanjing 210016; 2. School of Science, Nanjing University of Science and Technology ，Jiangsu Nanjing 210094; 3. College of Transportation, Southeast University, Jiangsu Nanjing 210096 AbstractAbstract For high perance concrete beamHPC beam with prestressed Carbon fiber reinforced compositeCFRP rebars, the prestressed CFRP rebars and the GFRP rebars are respectively modeled by the combined shell element and the layered shell element. The geometrical nonlinearity and material nonlinearity of combined-layered shell element are completed with some relative criteria. The nonlinear mechanical responses of HPC beams with prestressed CFRP rebars subjected to cyclic loading are studied. When the HPC beams are subjected to monotonic loading, the calculations including displacements of middle span and strains of CFRP rebars are in good agreements with those in the experiment results, which indicate the efficiency of the studied nonlinear element and the correctness of the compiled procedure. When HPC beams with prestressed CFRP rebars are subjected to cyclic loading, the mechanical behaviors of HPC beams are greatly affected by the type of common rebar assembled in the tensile area and when the beams fail, the strengths of the CFRP and GFRP rebars are both below the corresponding ultimate strengths. The obtained conclusions provide references for the design of HPC beams. Key wordsKey words composite material; cyclic loading; CFRP rebar; HPC beam; mechanical response 梁按截面形式可分为矩形梁、T梁和箱梁等，在土木工程、机械工程等领域均有广泛应用，其力学性 能的研究一直为专家学者所重视， 如文献[1]利用纤维梁单元研究了多梁式梁的力学性能， 但纤维梁单元用 于三维问题时会受到一定限制；文献[2-4]分别利用分层梁单元和Timoshenko梁单元，研究了单T梁的二维 非线性问题；文献[5]研究了复合材料悬臂梁的弯矩梁特征单元； 文献[6-7]利用有限条元对箱梁的力学问题 进行了一些探讨。目前，由于纤维增强复合材料（CFRP）筋与普通钢筋相比，具有抗锈蚀、高强度及耐 久性好等优点，体内设置纤维增强复合材料筋梁体的力学性能研究也受到关注[8]。近年来，随着试验技术 水平的进步和计算机运算效率的提高，也相继出现了一些高性能复合材料结构在反复荷载作用下力学响应 的研究成果，如文献[9-10]进行了CFRP加固HPC混凝土柱位移延性、抗剪能力和抗震性能的试验研究；文 献[11]进行了反复加载下纤维增强复合材料混凝土受压性能的试验研究。从现有研究成果来看，关于反复 荷载的研究文献主要集中在构件的试验研究上。目前有限元数值分析商用软件Ansys中Solid65单元提供了 一定的非线性功能而较受青睐，文献[12]对用智能CFRP加固RC梁荷载效应进行研究，并用Solid65单元进 收稿日期2009-11-30 基金项目国家自然科学基金（10472045、10772078） ；国家高技术研究发展计划（863 计划）资助项目（2007AA11Z106） ； 南京航空航天大学引进人才科研基金（S0851-013） 作者简介张剑（1978） ， 男，安徽