南京工业大学学报自然科学版
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BFRP层数对加固木梁抗弯性能研究

 摘要:通过对不同玄武岩纤维布层数的加固木梁的有限元模拟分析,比较了在不同粘贴层数下加固木梁的极限荷载情况,结果表明,随着BFRP粘贴层数的增加,木梁的极限荷载逐渐增加,为加固设计和工程应用提供参考。 
中国论文网 http://www.xzbu.com/3/view-4771001.htm
  关键词:玄武岩纤维布 木梁 极限荷载 粘贴层数 
  木材是一种取材容易,加工简便的结构材料,在中国传统建筑中被广泛应用。鉴于在保留传统木建筑历史风貌方面的优势,纤维布越来越广泛的应用于传统木结构的维修加固工程,而玄武岩纤维布又以其具有较高抗拉强度和弹性模量,同时还有良好的粘合性、耐热性及抗腐蚀性等特点在工程加固方面逐渐显示出优越性。玄武岩纤维布在一定程度上可以代替各种纤维增强材料制品,但成本却更低,更适宜采用。本文利用通用有限元软件ANSYS12.0对不同粘结层数的加固木梁进行有限元分析,建立了相应的有限元模型,比较了不同粘结层数下木梁的极限荷载情况,为木梁设计提供参考依据。 
  1 BFRP加固木梁有限元模型的建立 
  1.1 模型及材料参数 选取木材为樟子松,建立了对比木梁及三根不同粘贴层的简支木梁的有限元模型,其基本物理力学性能如表1所示。玄武岩纤维布厚度为0.111mm,其他基本物理力学性能见表1。 
  对比梁及加固梁均为矩形截面b×h=100mm×200 
  mm,跨度1500mm。模型方案及编号见表2。 
  1.2 单元选择 木材和垫块均选用Solid45单元,Solid45单元用于构造三维固体结构,单元通过8个节点来定义,每个节点有三个沿着xyz方向平移的自由度。该元素有塑性、徐变、膨胀、应力强化、大变形、大应变和模拟各向异性等能力,并提供带有沙漏控制的缩减选项。BFRP采用Solid46空间实体单元进行模拟。Solid46单元为8节点3D实体单元Solid45的一种分层形式单元,该单元用于模拟分层壳或着实体。它的每个结点有3个自由度,可以用来建立叠层壳体或实体的有限元模型,每个单元允许125层的厚度在单元面内成双线性变化的不等厚材料层,同样允许有250层的等厚度材料层。Solid46单元的另一个优点是对多于250层的复合材料可以用几个单元叠加的方式来建立模型,并允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续,而且用户也可以输入自定义的本构矩阵。该单元有一个等效的横向刚度,允许横向上存在非零应力、应变和位移。它可以指定失效准则。与8节点壳单元相比,其单元的阶次要低。 
  1.3 建立有限元模型 为了保证木梁和垫块两者的节点可以变形协调,采用先划分单元,然后将节点合并的方法,并采用相同的加载方式对其进行模拟分析。长度方向用边界长度为50mm的单元来划分网格,其他方向采用25mm的单元进行划分。建成后的模型如图1所示。 
  2 模拟结果及分析 
  经过ANSYS程序的有限元计算,得到对比梁及BFRP约束木梁的最终应力云图,如图2~图5所示。最终得到极限荷载模拟值如表3所示。 
  从模拟的应力图及数值对比可知,利用玄武岩纤维布进行加固并非粘结层数越多越好。加固后木梁的承载力相对未加固的木梁有所提高,粘结两层BFRP布的提高幅度比粘结一层的高,虽然加固木梁的承载力随着粘结层数的增加而逐步增大,但是增加幅度并非与玄武岩纤维布的增加层数成正比,而是趋于平缓。对与实际结构受力构件,其受弯时,木材木节处往往有应力集中,使其破坏时多没达到木材的极限承载力,对木材的性能不易得到较准确的认识。本模型模拟时为均匀模型,排除了木节等缺陷对试验结果的影响,其在达到受弯承载力极限状态前,BFRP与木材试件之间粘结可靠,不发生相对滑移,保持应变协调。 
  3 结论 
  本文分别对粘贴不用层数玄武岩纤维布的木梁进行抗弯加固模拟,根据其破坏形态及极限承载力结果的分析得到以下结论:玄武岩纤维布粘贴层数越多,构件承载力提高幅度越大,但并不是与粘贴层数成正比。随着玄武岩纤维布层数的增加,纤维布与加固构件之间的有效粘结长度没有增加,且构件上部受压强度一定,极限承载力提高幅度增长率降低。因此,在实际应用中,应根据具体加固需要,并考虑经济性,合理选择纤维布的层数。 
  参考文献: 
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