预应力CFRP板新型曲面夹持锚有限元分析.docx
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1、随着各种民用建筑的兴建,一些桥梁、房屋、码头等老建筑在结构变形、混凝土开裂、钢筋锈蚀等耐久性问题,以及爆炸、火灾等外部因素引起的问题越来越多。而这些结构的拆除和重建对经济也是一个挑战。因此,提出了利用碳纤维增强聚合物(CFRP)板加固旧设施。CFRP板具有极高的抗拉强度和良好的耐腐蚀性,可在提高结构承载能力方面发挥重要的作用。然而CFRP板通常具有较低的抗剪强度,一般剪切强度只有抗拉强度的2%、3%,容易发生剪切和断裂。因此,有必要寻找合理的锚固措施,降低锚具端部应力集中程度。对一种新型曲面锚具进行数值模型研究,通过数值模型分析该锚具的受力特点,得出相应结论,为同领域研究或施工应用提供参考。1
2、新型锚的尺寸结合吴志平等平锚试验参数,并考虑ACl440.IR-03FRP筋加固混凝土结构的设置与施工指南和GB/T14370-2015预应力筋用锚具、夹具和连接器的规定,确定了锚具的一般尺寸。锚具初始设置为长度180mm、宽170mm、厚20mm。锚具的曲面尺寸是锚具的创新之处。这些螺栓最初是从名义直径为20mm的六角形螺栓中选取。锚具的具体尺寸如图1所示,其中螺栓孔直径为22mm,1为CFRP板压缩量的一半。图1锚具尺寸示意(a)锚具平面示意;(b)锚具剖面示意2有限元分析2.1 模型建立采用ANSYS有限元软件对锚具和CFRP板进行建模,并分别建立新型曲面锚具与平锚具模型。通过数值模型得
3、到新型锚具的受力特点,并研究该新型锚具的锚固效率。2.1.1 材料特性CFRP板、钢夹板和预紧螺栓的材料性能见表1。CFRP板为正交异性材料,钢夹板和螺栓为各向同性材料。建模时考虑了CFRP板和钢夹板的弹性材料。表1锚具各部件的材料特性CFRP板钢夹板预紧螺栓材料CFRPQ345BSCM435合金(M12.9)极限抗拉强度/MPa24005001200屈服强度/MPa3451080纵向弹性模量/MPa160000210000210000横向弹性模量/MPa9300泊松比0.20.320.3纵向剪切模量/MPa55008100081000横向剪切模量MPa3275层间剪切强度/MPa50N/AN
4、/A极限伸长率/%1.5992.1.2元素选择及几何模型建立钢夹板采用SOLIDI85实体单元建模,较好地反映了钢夹板刚度较大、压缩性较小的特点。采用SOLlD45实体单元对CFRP板进行建模。SOLID45能反映正交各向异性材料的特性。SOLID185和SoLlD45均为8节点固体单元。2. 1.3网格网格划分的目的是将几何模型转化为有限元模型。程序的计算是基于有限元模型的节点和单元,因此这是一个重要的过程。单元划分的方式和大小决定了模型计算的正确性和准确性。一般情况下,ANSYS软件提供了自由啮合和映射啮合两种方式。由于存在一个空心锚具区域,且结构相对规整,因此采用“扫”的方式对锚具进行网
5、格划分,这是一种先进的映射网格划分技术,一般将单元划分为六面体单元。综合考虑计算时间和计算精度,选取单元数为31310的4mm4mm网格尺寸作为模型的最佳单元尺寸02.1.4约束:和加载锚具分两个阶段进行研究,研究锚固效率和应力分布,分别为预紧阶段和张拉阶段。因此,边界约束和加载也分为两个阶段。为了便于模型计算,模型只计算了1/2部分,模型及有限元如图2所示。在预紧阶段,约束CFRP板底部的竖向位移,对钢夹板施加一个螺栓预紧力,具体见表2。在张拉阶段,约束CFRP板的纵向位移,对钢夹板施加均布拉应力。图2模型示意(a)几何建模;(b)有限元建模表2合理预紧力与CFRP板压缩量的关系CFRP板压
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