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浅析古建筑木结构中碳纤维复合材料的加持作用

2020-05-21 213 上传者：管理员

摘要：对古建筑木结构材料特性进行了论述，并对碳纤维增强材料力学性能进行了研究，分析了某木结构工程的典型结构，计算了纤维增强材料进行加固后的力学性能。研究结果表明：碳纤维复合材料布进行加固后，构件的承载力可以明显提高，张贴1层可提高11%左右，张贴2层可提高18%左右。

关键词：
ANSYS
加固技术
古建筑
木结构
碳纤维复合材料
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国内目前对碳纤维加固木结构主要集中在实验研究，部分学者涉及了理论计算，但很少有进行数值模拟计算对理论解进行扩充[1,2,3,4,5,6,7,8]；国外学者对胶合木的研究较广，但胶合木与我国常用建筑木材杉木和松木力学性能相差较大。因此，本研究对古建筑木结构材料特性进行论述，对碳纤维增强材料力学性能与大型通用商业有限元计算软件ANSYS计算原理进行研究；在有限元软件中计算并分析了某木结构工程的典型结构，选取了最为典型的构件进行加固后计算[9]。

1、材料与方法

碳纤维增强复合材料通常采用专业仪器挤压成型，将碳纤维丝拉伸，浸润环氧树脂，在一定压力和温度下固化成型，形成具有一定树脂基体含量的CFRP材料。碳纤维加固材料一般为细条卷装。碳纤维增强复合材料主要是由碳纤维丝来承担拉力，其抗拉强度和抗压强度较高。碳纤维材料的应力-应变曲线呈现线弹性，几乎无塑性段，因此在进行计算分析时，只要采用弹性模型计算即可[10,11]。

本研究采用大型通用商业软件ANSYS进行计算。与常用的abaqus等有限元软件相比，ANSYS具有基于apdl语言进行参数化建模的优势，相比pkpm与sap2000等面向对象的有限元软件，ANSYS又具有更高的建模灵活度与计算精度。在计算模块中，用户一般选择是否考虑几何大变形，即变形后的荷载方向是否发生变化；同时，进行求解器选择，稀疏求解器适用性更广泛，但PCG求解器在处理非病态方程时会表现出更高的效率。在后处理中，对于各向异性材料，当抗拉强度和受压屈服强度相差较大时，一般需要同时关注第一主应力（最大拉应力）、第三主应力（最大压应力）、米塞斯应力（第四强度理论）。

2、典型结构建模

本研究选取某地实际工程进行ANSYS有限元建模分析。该建筑的建筑材料为杉木，因此弹性模量取值按照木结构设计规范进行取值为9 000 MPa。此外根据同一批木材进行清材小样强度值实验结果，这批木材的强度特性为：顺纹抗拉强度为122.6 MPa，顺纹抗压强度为78.9 MPa。通过分析可知，对于古建筑的材料老化现象以及结构的随机几何缺陷是必须要考虑的因素。因此，考虑到古建筑的材料特性，有必要对上述值进行一定的折减。经过折减后的古建筑杉木力学参数为：弹性模量8 100 MPa，顺纹抗拉强度32.4 MPa、顺纹抗压强度18.7 MPa、泊松比0.3。

ANSYS中需要确定单元的类型，来决定采用何种插值函数与插值形式对内部位移场进行拟合，在本次分析中采用solid45单元和solid186单元进行试算。由于木材的力学特性，如果不采用二次开发UPFS模块进行用户开发，使用solid186单元很难模拟木结构的力学特征。因此，分析中使用solid45单元，采用广义Hill准则作为木材的破坏准则。选用PCG求解器进行迭代求解，打开几何大变形开关，综合考虑米塞斯应力和第一/三主应力。

2.1 斗拱破坏模式

斗拱是古建筑木结构中较为常见的节点构件，它起到传递荷载的作用。在动力荷载中，斗拱由于其内部榫卯特征，起到了一定的耗能作用；在静力荷载中，一般在柱头或梁身对屋顶荷载进行均匀传递，具有不可或缺的作用。

图1 为斗拱计算VON MISES的应力云图。

从图1可以看出，尽管屋顶荷载均为竖直向下，但是由于古建筑屋面一般都有一定程度的悬挑，因此纯粹的轴心压力是不存在的。而偏心荷载，必然会带来等效弯矩，因此可以看出，该部件除了在底部与柱头相接处的应力较大，在斗拱开榫与上层拱相卯处的应力也很大。因此，若对斗拱进行加固，需要着重关注其底部的抗压承载力和榫卯处的抗拉承载力。此外，由于屋顶上部荷载较大，进行纤维材料加固后，其破坏模式还有可能变为斗拱的整体剪切破坏、剪切破坏面以底部应力极值线与上部应力极值线为对边，而确定的平面。

2.2 楼面剪刀撑破坏模式

图2为该工程楼面梁剪刀撑做法。该种做法与目前主流的增大截面法和增设随梁枋等方法明显不同，其结构特性尚不明朗，因此本研究对其进行了结构分析。计算时本研究仅考虑竖向荷载下，模拟楼面上人的荷载工况。图3为在3D建模软件Rhino中建立的3榀楼面带剪刀撑梁图，为与实际构件中几何条件尽可能接近，对建立的3榀梁（分析对象为中间榀梁）进行几何边界条件处理后，导入有限元分析软件ANSYS中进行计算。

图2 楼面剪刀撑做法

图3 在Rhino中建立3榀楼面带剪刀撑梁

为保证计算结果的精确性，应当进行网格精度试算[12]。图4为在ANSYS中以sweep较疏网格建立3榀楼面梁分析模型图。如图4a所示，首先采用sweep划分法建立588个六面体单元模型。图4b～4d为第一主应力、总位移应力、Von Mises应力结果。图5为在ANSYS中以四面体较密网格建立3榀楼面梁分析模型图。如图5a所示，建立5.8W个四面体单元，图5b～5d为第一主应力、总位移应力、Von Mises应力结果。对比图4和图5可知，前者网格精度太低，计算结果出现了较大误差，因此本研究将采用四面体单元，以单元边长为20 mm划分网格。

图4 在ANSYS中以sweep较疏网格建立3榀楼面梁分析模型

图5 在ANSYS中以四面体较密网格建立3榀楼面梁分析模型

图6为较密网格下的3榀楼面带剪刀撑梁分析云图，由图6可知，增设剪刀撑后并没有显著改变原先的应力分布，仅仅只在增设剪刀撑的附近有些许应力减小，此外对于跨中截面而言，其刚度提升非常少，仅为0.05%。由此可见，这种加固方式对竖向静力荷载的承载力和使用条件贡献较小。

图6 较密网格下的3榀楼面带剪刀撑梁分析云图

图7为无加固楼面梁、增设剪刀撑楼面梁、按照剪刀撑耗材增设随梁枋（即原梁增设40×40随梁枋）的楼面梁3种建造方式下的结构性能对比图。对比图7a、d和g可见，增设随梁枋的刚度提升为27%，而增设剪刀撑的刚度提升仅0.05%左右；对比图7b、e和h可知，增设随梁枋的跨中底面（危险截面）主应力减少幅度为7.3%，而增设剪刀撑的跨中底面（危险截面）主应力减少幅度为5%；对比图7c、f和i可知，Von Mises应力是否达到限值在线弹性分析中代表屈服/破坏与否，与此同时，增设剪刀撑也是由于增设随梁枋所引起的。

图7 三种做法结构分析结果对比图

增设剪刀撑加固楼面梁的做法，在静力竖向荷载工况下，加固效果并不好；无论从刚度提升还是强度提升的角度，都要劣于增设随梁枋的做法。但是，剪刀撑的最大作用是提升了剪刀撑所在平面的侧向刚度，而竖向静力工况并没有使得剪刀撑发挥应有功效。因此，增设剪刀撑的楼面梁，在静力荷载下，对楼面梁的加固作用较小，可以近似认为剪刀撑加固楼面梁为未加固梁体进行碳纤维复合材料加固计算。

3、分析与讨论

3.1 斗拱加固方案

斗拱的破坏主要为底部的受压破坏和横向受弯破坏和斜面的受剪破坏，因此，对斗拱的碳纤维复合材料加固主要可以在底部张拉碳纤维布，通过纤维布的高强度特性对其破坏进行约束，从而提高底部的抗压极限。在榫卯处预埋碳纤维复合材料板，当斗拱横向受弯时，由于纤维板材弹性模量较高，在受力时会有较小的位移变化，在一定程度上限制上部结构的横向移动，从而提高横向受弯承载力。对于斜面的受剪破坏，则考虑在斗拱周边围贴碳纤维布，由于环箍效应，会提高斗拱的极限应变，从而使得其受剪承载力提高。

3.2 楼面梁加固方案

由于剪刀撑对于楼面梁的竖向刚度提高有限，因此可以把剪刀撑加固楼面梁当成未加固楼面梁进行计算。从图7可知梁的变形较大，且梁底的应力分布为越靠近跨中越大。针对这种破坏模式，设计如下几种试件：（1)PB0Ba为未加固杉木楼面梁；（2)PB1Ba为使用一层碳纤维布在杉木楼面梁底部进行粘贴的试件；（3)PB2Ba为使用两层碳纤维布在杉木楼面梁底部进行粘贴的试件[13]。

针对上述3种试件进行了有限元分析计算，选取合适的木材计算模型与相关参数。碳纤维复合材料考虑2种不同的单元进行试算：shell181单元与solid186单元。由于shell181单元进行计算时，需要严格确定每一层的失效准则与破坏模式，因此计算准备过程相对复杂，而采用solid186单元则相对简单。但与此同时，由于solid186单元在划分网格时，3个方向的网格尺寸相差较大（因为碳纤维布材料仅0.16 mm左右，而构件长度约为1 500 mm左右），ANSYS在计算这种结构时，厚度方向的应力场可能会出现一定的精度下降。但从本研究的分析角度，此处只需要关注顺纹方向的应力，即考虑碳纤维布的X向应力即可，所以本研究选用了solid186单元对碳纤维复合材料进行模拟。

碳纤维复合材料的本构模型，几乎不存在塑性段，因此只需要对其进行弹性阶段计算即可。但是为了考虑其受拉破坏以及简化计算，认为当碳纤维材料开始发生破坏时，即判定为结构失效。为了达到上述目的，将采用单元生死法，在循环中每次进行一定的荷载施加，对计算结果中超过应力极限的单元进行杀死，然后遍历所有单元进行检测，若检测到碳纤维复合材料单元中存在被杀死的单元，则计算终止。图8为根据上述建模与计算方法，结合其他既有工程中梁体的实测数据，得到的有限元计算荷载-挠度曲线。图8有限元计算荷载-挠度曲线从图8可知，碳纤维复合材料布进行加固后，结构的承载力可以明显提高，张贴1层可提高11%左右，张贴2层可提高18%左右，并且对其刚度也有一定程度的提高。

4、结论

结合国内外研究现状，对古建筑木结构材料特性进行论述、碳纤维增强材料力学性能与大型通用商业有限元计算软件ANSYS计算原理进行研究，结合实际工程案例分析古建筑中比较典型结构的破坏模式，计算了纤维增强材料进行加固后的力学性能。

(1）木材在ANSYS计算中可以采用solid45单元使用广义HILL准则进行计算，碳纤维复合材料可以采用solid186单元采用单元生死法控制进行计算，计算结果符合工程精度要求。(2）在古建筑木结构中，剪刀撑加固的楼面梁在竖向荷载下加固效果不明显，进行分析时可作为未加固梁进行计算。(3）斗拱的碳纤维复合材料加固主要可以在底部张拉碳纤维布，在榫卯处预埋碳纤维复合材料板，在斗拱周边围贴碳纤维布。(4）碳纤维复合材料布进行加固后，古建筑梁结构的承载力可以明显提高，张贴1层可提高11%左右，张贴2层可提高18%左右，并且对其刚度也有一定程度的提高。

参考文献：

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