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1、基于有限元方法的C F L 加固R C 梁疲劳寿命分析赵贵玲赵琛黄培彦( 华南理工大学土木与交通学院广州5 1 0 6 4 0 )摘要：本文利用A N S Y S 程序建立C F L 加同R C 梁有限元非线性模型，并应用该模型对加固梁的疲劳寿命进行了数值模拟分析，计算出加固梁的疲劳寿命。将A N S Y S 计算值与试验值进行对比，计算得出的加固梁的疲劳寿命与极限疲劳强度所对应的载荷与试验所得到的结果较吻合，说明了有限无非线性模型和计算方法是可行的；同时还分析了C F L 加固R C 梁的参数对加崮粱疲劳寿命的影响，为构件的抗疲劳设计提供了新的方法。关键字：C F L ：R C 梁：疲劳寿命
2、：有限元A N A L Y S I SO FF A T I G U EL I F Eo FR CB E A M SS T E N G T H E N E DW I T HC F LB A S E Do N T H EF I N I T EE L E M E N TM E T H o DZ h a oG u i l i n gZ h a oC h e nH u a n gP e i y a n( S c h o o lo f C i v i lE n g i n e e r i n ga n dT r a n s p o r t a t i o n , S o u t hC h i n aU n
3、 i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ，G u a n g z h o u ，5 1 0 6 4 0 )A b s t r a c t ：T h ef i n i t ec l e m e n tm o d e lo fR Cb e a m ss t r c n g t h c n c dw i t hC F Li Se s t a b l i s h e dw i t hA N S Y S w h i c hi Sa p p l i e dt os i m u l a t ea n dc a l c u l a t et h ef a t i g u
4、 el i f eo ft h er e i n f o r c e db e a m B yC o m p a r i n gt h er e s u l t so ft h ef i n i t ee l e m e mn o n l i n e a ra n a l y s i st ot h a to fm o d e le x p e r i m e n t s ，w ef i n do u tt h ef a t i g u el i f eo ft h es t r e n I g t h c n e db e a m sc a l c u l a t e db yA N S Y
5、 Sm a t c h e st h ee x p e r i m e n t a ld a t ai ng e n e r a l ；T h eu l t i m a t ef a t i g u es t r e n g t hc o r r e s p o n d i n gl o a d i n gi sc l o s et ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a , w h i c hs t r o n g l yp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h et m i t ee l e m e mn o
6、n l i n e a ra n a l y s i sm o d e la n dn u m e r i c a lm e t h o d W h a t Sm o r e ，t h ee f f e c to nt h ef a t i g u el i f ec a u s e db yt h ep a r a m e t e r so fR Cb o i l a si sa l s oa n a l y z e dt os u p p o r tan e wm e t h o df o rt h ea n t i f a t i g u ed e s i g no fs t r u c
7、 t u r a lm e m b e r K e y w o r d s ：c a r b o nf i b e rl a m i n a t e ( C F L ) ；R Cb e a m ；f a t i g u el i f e ；f i n i t ee l c m c m1 引言自1 9 世纪末开始对疲劳问题进行研究至今，疲劳问题一直是工程结构安全问题的一个研究重点，结构疲劳寿命研究是疲劳研究的主要内容之一。影响疲劳破坏的主要影响因素有：经历的循环载荷次数、每一个循环载荷的应力范围、每一个循环载荷的平均应力、存在局部应力集中现象等。C F L 材料属- j ：单向纤维增强复合材料，
8、在纤维方向具有良好的抗疲劳性能，拉伸疲劳时其抗拉弹性模垦不改变，抗拉强度不低于或略低于材料静力强度l q ，对于C F L 加同R C 梁而言，受拉钢筋的疲劳应力幅是加固粱疲劳寿命的决定冈素1 2 1 ，计算加阎梁中钢筋疲劳应力幅是亟待解决的主要问题。本文应用有限元软件计算得到集中荷载下钢筋应力分布，找出钢筋应力最大处节点，利用几基于有限元方法的C F L 加固R c 梁疲劳性能分析一赵贵玲，等何材料特性曲线，准静态叠加的疲劳加载方式，通过F a t i g u e 计算加固梁疲劳寿命。2 有限元模型的建立钢筋混凝土有限元分析和其他同体材料的有限元分析在基本原理和方法上是相同的，但是钢筋混凝上
9、结构是由钢筋和混凝土两种材料组成，两者材料的本构关系比较复杂，而且各不相同，在铡筋混凝土结构中铡筋一般是被包围于混凝七之中的，而且相对体积较小。因此，在建立钢筋混凝上的有限元模犁时，必须考虑到这一特点。目前，A N S Y S 中钢筋混凝十有限冗模犁根据钢国家自然科学基金项目( 1 0 2 7 2 0 4 7 1 0 6 7 2 0 6 0 ) ：广东省自然科学基金项目( 0 7 0 0 6 5 3 8 ) 资助第一作者：赵贵玲女1 9 8 7 年9 月出生。硕士研究生。2 1 3筋的处理方式主要分为三种，即整体式、分离式和组台式模型。本文采用分离式横型：棍凝上( S O L I D 6 5
10、) + 铡筋( L I N K 8 ) + 碳纤维薄板f S I - l E L L 4 1 ) + 制垫块( S O L I D 4 5 1 ”。 对于混凝七的本构关系，本文采用n 娜 和K s l l r l 龃H ，G c t t 和1 h o 出日出o 增出的混凝十受压区的应力应变的计算式：。_ 素每；一”tmI E t当疋0 3 = ! 生( 2 )。f ：生( 3 )。混凝I ：受压区的应力应变曲线如图1 所示。钢筋本构模犁采用双线性随动硬化模型，即屈服前，应力一应变关系为线弹性关系；屈服后，钢筋应力取其屈服强度。钢筋应力一应变曲线如圈2 所示。碳纤维薄板f c F u 的应力一应
11、变关系为：4 i = E f E i4 1本文为简化有限元模型和有限元分析对C F L 加固R C 粱作如下假设：( 1 ) 加固前后粱均属n t 筋粱范围；不考虑铡筋与混凝土之问的帽对措移；不考虐混凝土的抗拉强度。犯) 碳纤维薄板和混凝土之问完全粘结，没有剥落破坏发生。( 3 ) 由十碳纤维薄板根薄，将其视作竖贴于混凝土六面体单兀表面的一层薄膜来考虑。建立钢筋棍凝土集的A N S Y S 有限元模型如图3 所示。mI * H 口F i g r 。口n m目吼自日R C i # m # F i g 3 妊自妇d 一R c h 5 m m 曲_ , M t h C F L”t * 一“”3 材料
12、性能分析根据C F L 加固R c 粱疲劳试验结粜，采用n 8 m2 0 0 9 年m W替夕l o g s 和l o g N 成线性关系的曲线如图4 所示，得到应力一寿命曲线表达式如下：l o g S = 3 9 6 一O 2 5 l o g N 其中S 为钢筋应力幅值，为循环寿命次数。4 加固梁的疲劳寿命R C 粱的尺寸为18 5 0 r a m 1 0 0 m m x 2 0 0 m m ，C F L 的尺寸为16 0 0 m m l0 0 m m 0 2 3 m m ，粘贴于R C 粱的底面。采用三点弯曲加载方法，应力比R =0 _ 7 ，利用准静态叠加的疲劳加载方式，分两个载荷步进行
13、计算，再将计算结果读入到后处理中采用疲劳分析命令进行疲劳分析 6 1 。分别改变外加载荷大小、C F L 厚度和弹性模量，计算加固梁的疲劳寿命。1 ) 不同载荷作用下，载荷与疲劳寿命的关系曲线如图5 示。由图5 得出，外加载荷分别为2 5 K N , 2 7 5 K N ，3 0 K N 时，加固梁的疲劳寿命分别为2 6 9 7 万，1 5 2 1 万，7 8 8 万，即增大施加的载荷，加固梁的疲劳寿命减小。2 ) 改变C F L 厚度，C F L 厚度与疲劳寿命的关系曲线如图6 示。由图6 得出，C F L 厚度分别为0 1 5 m m ，0 2 3 r a m , 0 3 5 r a m
14、时，加固梁的疲劳寿命分别为1 5 0 4 万，2 6 9 7 万，4 5 6 9 万，即增大C F L的厚度，加固梁的疲劳寿命增大。3 ) 改变C F L 弹性模量，C F L 弹性模量与疲劳寿命的关系曲线如图7 示。由图7 得出，C F L 弹性模量分别为1 2 0G P a , 2 4 0G P a , 3 6 0 G P a 时，计算得出加同梁的疲劳寿命分别为1 1 6 9 万，2 6 9 7 万，4 5 8 2万，即增大C F L 的弹性模量，加固梁的疲劳寿命显著增大。舢靶宝篓2 82 4o o5 0 x 1 0 5Io u t l o 15 x 1 0 2 0 x l o 2 缸1
15、0 l3 0 x l a l 循环次数图5 载荷循环次数曲线图F i 辱5t h el o a d - c y c l e sc u r v ed i a g r a m基于有限元方法的C F L 加周R c 梁疲劳性能分析一赵贵玲，等4 0 0柏O翻2 馨 掣 最j1 O0l x l O 矧妒州矿卅矿酬矿 循环次数图6 C F L 厚度循环次数曲线图F i 9 6T h eC F Lf l f i c k n e s s 吲c l e sc u r v ed i a g r a m0l x l a 矗1 矿缸 矿4 x l 矿缸o 循环次数图7 C F L 弹性模量循环次数曲线图F i g
16、7T h eC F Le l a s t i cm o d u l u s - c y c l e sc u _ r v cd i a g r a m5A N S Y S 计算值与试验值比较由于试验结果仅给出了不同载荷下加固粱的疲劳寿命。在这里仅作不同载荷下加固梁疲劳寿命有限元计算结果与实验结果的比较，如表l 示。载荷幅值与疲劳寿命的关系如图8 示。由表l 得出，在载荷幅值为2 2 K N 时，计算值和试验值的误差为19 ，A N S Y S 计算结果与实验结果相近，造成误差产生的原冈主要是钢筋的本构关系模型j 实验所得的应力应变关系曲线存在差异，当外载荷幅值为2 4 K N 时，钢筋应力值已经达到屈服强度值3 0 7 M P a 2 1 5让一毒一毯酸1du表1 计算值与试验值比较T a b l e l T h ec o m p a r eb e t w e e nA N S Y Sa n a l y
