CFRP约束预压状态下混凝土柱轴心受压性能的有限元分析何宇陈静(图文).docx
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1、CFRP约束预压状态下混凝土柱轴心受压性能的有限元分析何宇陈静(图文)论文导读:计算与分析1计算模型根据以上有限元原理建立试件模型,如图14所示。网格大小控制在20mm,混凝土部分划分为960个Solid65单元,CFRP划分为480个Shell41单元。包裹CFRP层数相同的情况下,随着轴压比的增大,混凝土的峰值压应力提高幅度逐渐降低,由表1中数值知道,在轴压比为0.8时,包裹三层CFRP对混凝土峰值压应力提高幅度也只有20%,尚不及未预压试件包裹一层CFRP布时提高的幅度大。由此可知,CFRP布的约束对于高轴压比构件轴向承载力的提高能力有限。关键词:CFRP,约束,预压,有限元
2、一、有限元模型的建立方法与原理1 混凝土的模拟ANSYS中提供了专门面向混凝土、岩石等材料的单元SOLID65单元1。它是8节点的六面体单元,使用分布式固定裂缝模型,也可以使用整体式钢筋模型。SOLID65单元可以模拟材料的开裂和压碎。用弹塑性本构关系模拟混凝土受压行为,用断裂软化本构关系模拟混凝土受拉软化行为。所以SOLID65的实际上采用的是“弹塑性断裂”的本构模型,破坏准则采用的是改进的William-Warnke五参数破坏准则。2 混凝土裂缝的模拟Solid65中使用弥散固定裂缝模型,每个高斯积分点最多有三条相互垂直的裂缝。弥散裂缝模型将混凝土裂缝弥散到整个单元中,将混凝土材料处理为各
3、向异性材料,利用混凝土的材料本构模型来模拟裂缝的影响。这样,当混凝土某一单元的应力超过开裂应力时,只需将材料本构矩阵加以调整。3 碳纤维的模拟纤维复合材料片材单元采用四结点薄膜单元(SHELL41)。该单元有平面内刚度而无平面外刚度,单元只能承受拉力作用,没有抗弯、抗压能力。符合FRP布在约束混凝土中的受力状况。纤维材料设为各项异性,在垂直纤维方向材料没有强度(实际计算中取为纤维方向强度的1/106)。诸多试验均证明,FRP 材料的应力应变关系接近理想弹性。因此,在本次有限元分析中设定CFRP材料为理想弹性材料,且若纤维应力超过其抗拉强度,则认为纤维断裂,计算终止2。单元的每个结点也只具有X、
4、Y和Z轴三个方向自由度,从而保证了体单元和膜单元联结结点的自由度不会发生冲突。设CFRP布与混凝土材料之间粘结完好,无脱落现象,CFRP布和混凝土之间无相对滑移。4 预压过程的模拟由于预压受力构件所粘贴的CFRP是在混凝土承受了一定的荷载产生了一定应力应变后才开始发挥作用的3。因此如何模拟二次受力这种钢板应力滞后的状态是二次受力有限元分析的核心问题。论文参考网。在有限元分析过程中采用了有限单元的生死(Birth and Death)来控制外层CFRP的单元发挥的作用。单元生死的作用是可以控制单元的刚度矩阵对整体刚度矩阵的做出贡献(单元生)不做出贡献(单元死)。利用单元生死的方法可以先将CFRP
5、所对应的单元杀死,加入初始荷载,可以得出混凝土在初始荷载下了应力应变关系。再将混凝上单元的应力值导出作为初应力文件,在激活CFRP对应的单元后,将初应力文件导入并施加在混凝土单元上,重新加载开始计算。从而再现了二次受力构件的加载过程。在本课题预压过程的模拟中,混凝土单元和CFRP单元采用共用节点连接,不考虑两者间的滑移。5 非线性方程组解法计算采用Newton-Raphson平衡迭代方法求解非线性方程组。论文参考网。在计算过程中将荷载分成一系列载荷步,在每个载荷步内设若干子步施加载荷增量。在每次求解前,N-R方法估算出残差矢量,这个矢量是恢复力(对应于单元应力的载荷)和所加荷载的差值,然后使用
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