一种Fe-SMA加固受损混凝土梁的有限元建模方法与流程

本发明涉及加固受损混凝土梁，特别是涉及一种fe-sma加固受损混凝土梁的有限元建模方法。

背景技术：

1、钢筋混凝土桥梁在长期服役过程中，受车辆荷载、环境侵蚀及材料劣化等因素影响，普遍出现混凝土开裂、钢筋屈服、截面刚度下降及承载能力退化等问题。采用外贴铁基形状记忆合金（fe-sma）条带并对其加热激活，可利用fe-sma产生的恢复应力在受损梁中引入预应力，是一种有效的加固手段。目前，针对fe-sma加固混凝土梁的有限元分析，现有建模方法通常存在以下问题：一是通过直接降低混凝土弹性模量或强度来模拟初始损伤，不能反映预损伤加载和卸载后梁体内部真实存在的裂缝分布、塑性应变和残余应力，也难以保留卸载后的残余变形；二是在施加热激活恢复应力时，未考虑fe-sma条带实际安装于已发生变形的受损梁底面这一几何事实，将初始应变或初始应力施加于未变形构型上，导致产生与实际情况不符的虚假内力；三是将fe-sma条带与混凝土表面设为完全粘结，无法计算界面滑移引起的预应力传递损失和端部剥离现象；四是预损伤、加固层激活、热激活和重新加载各阶段被分别独立计算，缺少状态变量的连续继承机制，无法反映受损梁从加固前到加固后的完整受力历史。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

2、根据本申请的第一方面，提供了一种fe-sma加固受损混凝土梁的有限元建模方法，包括：

3、获取钢筋混凝土梁、钢筋、fe-sma条带及粘结界面的几何参数和材料参数，建立未加固钢筋混凝土梁有限元模型；

4、对所述未加固钢筋混凝土梁有限元模型施加预损伤荷载，并在达到目标损伤状态后卸载，获得混凝土损伤变量、塑性应变、钢筋残余应力和梁体残余变形；其中，卸载阶段采用位移控制方式；

5、将所述混凝土损伤变量、塑性应变、钢筋残余应力和梁体残余变形作为受损钢筋混凝土梁的初始状态，并在保持所述初始状态的条件下激活fe-sma条带单元和界面单元；

6、根据fe-sma条带与混凝土之间的粘结-滑移关系设置所述界面单元的界面刚度、损伤起始参数和损伤演化参数；

7、根据fe-sma激活温度确定fe-sma恢复应力，采用等效初始应变法、初始应力法或温度场耦合法中的至少一种向fe-sma条带施加热激活效应，且所述等效初始应变或初始应力基于fe-sma条带激活时的当前变形构型施加，并全程开启几何非线性；

8、通过所述界面单元计算fe-sma恢复应力向受损钢筋混凝土梁的传递以及界面滑移引起的预应力损失；

9、在继承受损状态、热激活状态和界面状态变量的基础上，对加固后的钢筋混凝土梁施加外部荷载，获得加固梁的荷载-位移响应、材料应力、界面滑移和损伤演化结果；

10、根据所述荷载-位移响应、材料应力、界面滑移和损伤演化结果确定加固梁的屈服承载力、极限承载力和破坏模式。

11、本发明至少具有以下有益效果：

12、本发明的fe-sma加固受损混凝土梁的有限元建模方法，通过在预损伤卸载阶段采用位移控制方式，并基于加载-卸载路径保留混凝土损伤变量、塑性应变、钢筋残余应力和梁体残余变形，避免了仅折减材料参数带来的损伤分布失真，使初始损伤状态更接近实际检测结果。在激活fe-sma条带时，将等效初始应变或初始应力基于梁体卸载后的当前变形构型施加，同时开启几何非线性，使条带的初始几何位置与受损梁底面的实际变形状态一致，消除了因构型错配产生的附加应力。界面单元采用粘结-滑移本构，可计算恢复应力在传递过程中的界面剪应力、滑移量和预应力损失，避免完全粘结假定对加固效果的高估。通过在各分析阶段之间继承位移、应力、应变、塑性应变、损伤变量和界面状态，保证了预损伤、加固、热激活和重新加载全过程的状态连续性，使加固梁的荷载-位移响应、破坏模式和承载力预测结果更符合工程实际。

1.一种fe-sma加固受损混凝土梁的有限元建模方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标损伤状态根据预损伤荷载与未加固梁极限荷载的比值、跨中挠度、裂缝宽度、钢筋应变或混凝土损伤变量中的至少一种确定；所述预损伤荷载表示为：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混凝土损伤变量包括混凝土拉伸损伤变量和压缩损伤变量，所述塑性应变包括混凝土塑性应变和钢筋塑性应变；预损伤卸载后保留的状态变量还包括裂缝区域对应的单元损伤状态以及支座和加载区域的接触状态。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述fe-sma条带激活温度下，对混凝土弹性模量、抗压强度、抗拉强度及钢筋屈服强度分别引入温度折减系数；当时各折减系数取1.0，当时所述折减系数根据高温下材料性能退化规律确定。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述界面粘结-滑移关系中，界面切向应力与滑移量之间满足：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等效初始应变法为：根据目标激活温度对应的完全约束条件下fe-sma理论恢复应力确定等效初始应变，其中，为fe-sma弹性模量；施加所述等效初始应变时，fe-sma条带的初始几何坐标继承自预损伤卸载后梁底面节点的当前变形坐标，且所述等效初始应变以线性斜坡幅值方式在激活分析步前段从零缓慢增加至目标值。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，fe-sma条带热激活产生的恢复应力通过界面单元传递至钢筋混凝土梁，沿fe-sma条带长度方向的轴力变化满足：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，施加预损伤荷载及卸载过程中：加载阶段采用力控制或位移控制，卸载阶段采用位移控制，将加载点位移从峰值位移处减小至零或预设残余位移值；卸载时混凝土按卸载时刻对应的退化弹性刚度线性卸载，钢筋按初始弹性模量卸载，卸载完成后冻结当前所有积分点的状态变量并通过状态文件或重启动功能传递至后续分析阶段。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当fe-sma条带端部设置机械锚固装置时，将fe-sma条带沿长度方向划分为纯粘结区和锚固区，在锚固区增设非线性弹簧单元或连接器单元模拟机械锚固提供的抗拔力；锚固端边界条件设置为：

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各分析阶段之间继承位移、应力、应变、塑性应变、混凝土损伤变量、钢筋残余应力、fe-sma应力、界面滑移和界面损伤变量；当分析步迭代次数超过预设最大值时启用自动二分法将当前增量步减小后重新计算；在激活fe-sma条带的初始增量步中，采用平滑步幅幅值控制恢复应力缓慢施加，所述有限元分析依次包括：自重平衡阶段、预损伤加载阶段、预损伤卸载阶段、fe-sma及界面单元激活阶段、升温激活阶段、恒温保持阶段、降温阶段和加固后加载阶段。