泥石流冲击作用下CFRP加强型柔性索网体系动力响应分析

时间：2024-07-29

王秀丽, 周磊

(1. 兰州理工大学土木工程学院, 甘肃兰州 730050; 2. 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心, 甘肃兰州 730050)

近年来,碳纤维复合型材料(carbon fiber rein-forced ploymer/plastic,CFRP)以其优越的物理特性和轻质高强的力学性能得以在土木工程领域大量运用[1-2].在泥石流柔性防护领域,本项研究首次将CFRP材料与柔性防护索网结合起来.CFRP材料有防锈蚀、比强度和比刚度高、抗疲劳性能好、施工方便、施工周期短、不损伤原结构的特点.众所周知,泥石流具有突发、流速快、破坏力强的特点[3].一般柔性防护网中起主要受力作用的支撑索都为钢性材质,在室外使用中容易被锈蚀,从而强度降低[4],在泥石流的冲击下会过早的进入塑性状态,达不到预期的防护效果.将碳纤维布粘贴在钢索表面形成复合构件,不但弥补了钢索易锈蚀这一明显的缺陷,并且碳纤维布在不损伤原结构的基础上增加了钢索的刚度.在大石块冲击作用下,碳纤维布能分担一部分冲击能量,从而增强柔性索网体系的抗冲击性能.碳纤维布可以运用在本课题组自行研制的钢网格、钢框架的新型柔性防护体系当中[5-6].

近年来,国外对于碳纤维布、碳纤维板材加固钢结构构件做了大量试验研究[7-9],主要集中在加固后金属板材复合构件的静力力学性能的试验研究以及碳纤维复合型材料粘结在金属表面的粘结基理研究.国内相比国外在该领域的研究相对起步较晚,从1997年开始,国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心才开始对这种新型加固技术进行试验研究,随后编写了国家第一本有关标准《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》[10],该领域在接下来的发展过程中取得了不少成果.

马建勋等[11]通过对粘贴不同面积碳纤维布的钢板试件进行了单轴拉伸试验,分析了钢板与碳纤维布之间的相互作用、试件的破坏机理、碳纤维布粘贴面积对试件承载力和延性的影响；彭福明[12]对双面粘贴碳纤维布的金属板其界面应力进行了推导,对有效粘结长度及有效刚度进行了分析,并采用能量法推导出轴心受压加固钢管的弹性屈曲荷载计算公式；杨勇新等[13]采用高强型和高模量型两种碳纤维布及不同的端部锚固措施进行加固钢板的静力拉伸试验,得到粘贴碳纤维布后,复合构件的屈服荷载能有效提高,但对极限荷载贡献不大的结论；李春良等[14]利用 ANSYS软件模拟了碳纤维复合型材料加固钢板的情况,并进行了拉伸模拟,计算结果能准确预测出碳纤维布加固钢结构可能发生的破坏现象.

目前对碳纤维复合型材料加固钢结构的研究还主要集中在两者之间的粘结性能、加固后的力学性能以及如何增强两者协同工作的性能等方面,对加固后复合构件的动力性能方面研究相对较少.

本文在研究碳纤维布与钢筋构成的复合试件静力力学性能的基础上,将碳纤维布创新地运用在泥石流柔性防护领域,研究了碳纤维布对钢索动力性能的影响.通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA,对四边固定的泥石流柔性防护索网进行了数值模拟,将钢索粘贴碳纤维布与无碳纤维布的情况进行对比分析,总结碳纤维布对钢索动力性能的影响和作用,为碳纤维复合型材料在该领域的研究提供了一定的参考.

1 拉伸试验

1.1 材料的力学性能及试件的制作

拉伸试验的钢筋选取Q235圆钢,直径为16 mm,试件长度为300 mm；碳纤维布采用目前工程上常用的SKO系列的碳纤维布；粘结剂选用碳纤维布专用的环氧树脂胶.各种材料的力学性能见表1～3.

表1 钢材的力学性能Tab.1 Mechanical properties of steel

试件通过碳纤维布加固钢材的工艺方法制作而成,静力拉伸工况及拉伸结果见表4.主要研究碳纤维布对钢材静力拉伸性能的影响,参数包括碳纤维布的层数、长度、纤维方向、环氧树脂胶的种类.采用电液式万能试验机进行拉伸,将制作好的试件安装在试验机的夹具内,使试件中心线和钳口里的中心线吻合,连续缓慢加载.

表2 碳纤维布的力学性能Tab.2 Mechanical properties of carbon fiber cloth

表3 环氧树脂胶力的学性能Tab.3 Adhesive properties of epoxy

表4 静力拉伸试件参数及拉伸试验结果Tab.4 Static tensile test specimen parameters and tensile test results

1.2 拉伸试验结果分析

试件的破坏主要是在钢筋屈服时,两端的碳纤维布与钢筋表面剥离,随后剥离向中心不断开展,直到碳纤维布与钢筋完全剥离,最后试件被拉断.由表4可知,随着碳纤维布的层数、长度的增加,试件的屈服拉力有一定的提升,但极限拉力提升并不明显.试验中发现工况9发生了碳纤维布的层间滑移,使得在拉伸过程中夹头无法夹紧试件,拉力急剧降低,致使试验停止.由以上试件的拉伸结果可知,钢材的加固并不是碳纤维布层数越多越好.在所有试件中,粘贴两层单向碳纤维布、粘贴长度为300 mm、采用SKO环氧树脂胶的试件加固效果最好,即工况6,屈服拉力提高了15.4%.

2 有限元分析模型

为了研究钢索粘贴碳纤维布后抗冲击性能的变化,根据实验室现有的冲击平台尺寸,建立柔性防护体系的几何模型,尺寸如图1、图2所示.由横纵交叉的钢索组成索网结构,钢索选用Q235圆钢,直径为16 mm,与静力拉伸试验一致,两端采用固定约束.运用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件进行建模,建立了模型中由钢索构成的索网体系,模型在4个方向上均为固定约束.

图1 柔性防护模型正视图Fig.1 Front view of flexible protection model

图2 柔性防护模型侧视图Fig.2 Side view of flexible protection model

钢索和大石块均采用SOLID164单元,碳纤维布采用SHELL163单元.由于碳纤维布为各向异性材料,纤维束方向的拉伸强度远远大于其他方向,在达到极限拉伸应力前,碳纤维布的应力-应变关系接近理想弹性曲线.假定碳纤维布为线弹性材料,但其本构模型不支持材料的失效,因此采用塑性随动模型(plastic kinematic model)来进行模拟.模拟时通过设置壳单元的厚度来模拟不同层数,将失效应变值设置为0.007,屈服应力设置为碳纤维布的极限应力3 870 MPa,使得碳纤维布应力达到弹性极限时失效破坏.碳纤维布密度为1 800 kg/m3,弹性模量为2.45×105MPa,泊松比为0.307,单层碳纤维布的厚度为0.167 mm.

钢索也采用塑性随动模型(plastic kinematic model),考虑了低碳钢在冲击过程中动态屈服应力要高于准静态屈服应力[15],可以更好地模拟钢索受到大石块冲击后真实的动态响应.钢索密度7 450 kg/m3,弹性模量2.06×105MPa,屈服强度265 MPa,正切模量585 MPa,泊松比0.3,强化参数0.33,应变率c和应变率p分别取40和5.采用钢球来代替实际泥石流中的大石块,由于不考虑冲击物的变形,大石块用刚体模型(rigid model)进行模拟,可以在很大程度上节省计算时间,并且计算也更加简便.

索网有限元模型见图3.采用实体单元模拟的钢索和壳单元模拟的碳纤维布之间采用理想化的粘贴方式,两者均采用映射网格划分的方式,精确控制单元的长度和份数,使实体单元节点和壳单元节点可以重合,通过合并节点来模拟在受力过程中两者之间的协同工作效果.冲击物同样采用映射网格划分,这样划分的优点在于可以提高计算的精度和速度.因为实体单元模型的计算时间长,为进一步提高效率节省计算时间,建立模型时尽量将冲击物靠近索网.冲击物与钢索采用点面接触General(NTS).

图3 索网有限元模型Fig.3 Finite element model for cable net

3 计算结果及分析

3.1 单索的冲击结果分析

由于两端固定的钢索受到冲击后,处于复杂的受力状态,von Mises有效应力可以较好地反映出弹塑性实体模型所受到的真实应力值.冲击工况见表5,冲击点均为钢索的中点.分别提取在直径100、200、300 mm冲击物冲击后,钢索在粘贴1层、2层碳纤维布的von Mises应力时程曲线,与不粘贴碳纤维布的钢索进行对比分析,见图4.其中0CFRP、1CFRP、2CFRP分别对应着不粘贴碳纤维布、粘贴1层、粘贴2层碳纤维布的工况.

表5 单索冲击工况Tab.5 Impact condition

由图4的最大应力时程曲线可以看到最大应力的波动非常剧烈,在100 mm冲击物的冲击下,应力峰值出现在冲击的开始阶段,粘贴碳纤维布的钢索应力峰值有一定减小,说明碳纤维布有效分担了钢索的应力,使得钢索的应力减小.在直径100 mm冲击物的冲击下,碳纤维布在工况2、3中的最大应力时程曲线见图5,可以看到碳纤维布的最大应力峰值均未超过其极限应力,碳纤维布与钢索之间处于协同工作状态.

图4 Mises应力-时程曲线Fig.4 Mises stress-time history curve

图5 碳纤维布的最大应力-时程曲线Fig.5 Maximum stress-time history curve of carbon fiber cloth

在直径200 mm和300 mm冲击物的冲击作用下,钢索的最大应力峰值则出现在相对较后的时刻.

随着碳纤维布层数的增加,钢索的应力值出现突增的现象,且增长的幅度很大.分析后发现,在直径200、300 mm冲击物的冲击下,壳单元模拟的碳纤维布在冲击位置以及固定端附近均发生了一定程度的单元失效,也就是说碳纤维布已经达到了极限应力值.在0.012 s左右,冲击位置首先发生壳单元失效,随后在固定端也发生了壳单元失效,所以碳纤维布所承担的部分应力由于单元失效,在这个阶段不断传递给钢索单元,使得钢索承受的应力突然增长.根据最大应力的分析结果,接下来探讨钢索在直径100 mm冲击物的冲击作用下,碳纤维布对钢索塑性应变的影响.图6为工况1、2、3的有效塑性应变时程曲线.

图6 有效塑性应变-时程曲线Fig.6 Effective plastic strain-time history curve

由图6可知,3个工况下的塑性应变曲线呈现阶梯式增长的趋势,并且随着碳纤维布层数的增加,钢索的有效塑性应变随之减小,说明碳纤维布有效减小了钢索的塑性应变；并且随着时间的增加,这种趋势越来越明显.如图所示,从开始接触到0.018 s时,钢索的塑性应变增长的速率明显快于0.018 s之后.原因在于在0.018 s时,钢索在冲击方向的位移和钢索吸收的能量均达到最大值,所以此后钢索的有效塑性应变增长速率不断减小.

图7和图8分别是在直径100 mm冲击物冲击下的最大位移时程曲线和内能时程曲线.通过最大位移时程曲线图可以看到,3条曲线都呈现出相同的变化规律,且随着碳纤维布层数的增加,最大位移不断减小,但减小的幅度很小,说明钢索在粘贴碳纤维布后,对钢索在冲击方向的位移有一定的约束作用;并且随着碳纤维布层数的增加,钢索恢复变形的时间不断减小.在内能时程曲线中,达到最大内能之前,3条曲线接近重合,但钢索的内能相对稳定之后,粘贴碳纤维布的钢索内能值要明显低于无碳纤维布的钢索,也就是说粘贴碳纤维布后,钢索的刚度变大,却损失了小部分的吸能能力.在200、300 mm冲击物的冲击下,位移时程曲线和内能时程曲线均有相同的趋势.

图7 位移-时程曲线Fig.7 Displacement-time history curve

图8 内能-时程曲线Fig.8 Internal energy-time history curve

3.2 组合索的冲击结果分析

在冲击单索的基础上,在横纵2个方向不同平面建立单索,模拟真实2个方向单索的组合;在横纵交叉处合并节点使其协同工作,进行组合索的冲击.冲击工况见表6,冲击点为组合索的结点处.直径为100、200 mm冲击物的冲击作用下,组合索粘贴1层、2层碳纤维布以及对应无碳纤维布工况的von Mises应力时程曲线,如图9所示.

图9 Mises应力-时程曲线Fig.9 Mises stress-time history curve

表6 冲击工况Tab.6 Impact conditions

由以上工况的对比分析可以看到,组合索的最大应力峰值较单索有一定程度的降低.在直径100 mm冲击物的冲击下,粘贴1层碳纤维布的工况应力峰值有所提高,但粘贴2层碳纤维布的工况应力峰值却没有明显提高；并且组合索冲击下的应力波动较单索更加强烈.在100 mm冲击物的冲击作用下,无碳纤维布的组合索最大应力单元为26103单元,此单元在有限元模型中的横索固定端附近,并不是在冲击点的位置,说明固定端处同样承受着较大的应力.如图10所示,对比该单元粘贴碳纤维布工况的von Mises应力时程曲线,在达到应力峰值时,随着碳纤维布层数的增加,该单元的应力值不断减小;随后粘贴碳纤维布工况的曲线有一个显著的上升,但始终没有超过无碳纤维布工况的应力峰值.

图10 单元26103应力-时程曲线Fig.10 Element 26103 stress-time history curve

在直径200 mm冲击物的冲击下,应力时程曲线类似于单索相同参数的工况,钢索的应力在碳纤维布单元失效后有一个猛烈增长的阶段.从图9中可以看出,应力猛增的阶段相比于单索出现的时刻较晚.此时碳纤维布所受到的应力见图11,碳纤维布在0.012 s左右就已经达到其极限抗拉应力.在冲击位置的壳单元开始陆续发生单元失效,这也就解释了最大应力时程曲线在0.012s后开始出现突增现象.

图11 碳纤维布最大应力-时程曲线 Fig.11 Maximum stress-time history curve of carbon fiber cloth

直径为100、200 mm冲击物冲击下组合索的有效塑性应变时程曲线如图12所示.0CFRP、1CFRP、2CFRP分别对应不粘贴碳纤维布、粘贴1层、粘贴2层碳纤维布的工况.

图12 塑性应变-时程曲线Fig.12 Effective plastic strain-time history curve

组合索在直径100 mm冲击物的冲击下,塑性应变曲线增长趋势与单索冲击的类似,并且随着碳纤维布层数的增加,塑性应变呈现减小的趋势；在直径200 mm冲击物冲击下,组合索的有效塑性应变曲线只有单台阶,也就是在达到峰值点以前,塑性应变接近线性增长,达到最大值后塑性应变基本不再变化.由于200 mm直径冲击物的冲击能量大,冲击持续时间长,钢索通过持续变形来吸收冲击能量,来不及恢复其弹性变形就已经进入塑性状态.在0.017 s时钢索在冲击方向上的位移和内能均达到最大,如图13、图14所示.

图13 位移-时程曲线Fig.13 Displacement-time history curve

图14 内能-时程曲线Fig.14 Internal energy-time history curve

3.3 索网的冲击结果分析

将柔性防护模型中的钢索满布,形成9×9的索网结构,横纵索紧靠,但不在同一平面内.在横纵索各交叉处采用合并节点的方法,使横纵索在被冲击过程中协同工作,模拟的工况见表7.由于索网刚度较单索和组合索的刚度大很多,100 mm冲击物撞击后的动力响应特征不是很明显,所以主要对比冲击物直径200、300 mm的冲击工况,研究碳纤维布对索网冲击性能的影响,冲击点为索网的中心.图15是直径200、300 mm冲击物冲击下各工况的最大von Mises应力时程曲线.

表7 索网冲击工况Tab.7 Impact condition

由图15可以看出索网的von Mises应力时程曲线呈现出与单索和组合索冲击下相同的应力变化趋势,即随着碳纤维布层数的增加,最大应力在相对较后的时刻出现突增的现象,且粘贴两层碳纤维布的钢索应力变化更加剧烈.说明壳单元失效后,其原本承受的应力突然传递到钢索,使得钢索应力突然增长.研究发现在直径200、300 mm冲击物冲击下,壳单元只有在冲击点附近发生了单元失效,而索网固定端附近并没有发生像单索或组合索冲击那样的壳单元破坏.相较于组合索中心处壳单元失效开始的时间,索网有所提前.分析其原因是索网的刚度大,并且由于在横纵交叉处合并节点,使得钢索被划分成若干小的受力区间,在冲击点附近的小受力区间内应力激增,导致碳纤维布过早的发生断裂.图16是直径300 mm冲击物冲击作用下的碳纤维布失效破坏图.

图15 Mises应力-时程曲线Fig.15 Mises stress-time history curve

图16 碳纤维布破坏Fig.16 Failure of carbon fiber cloth

由索网的von Mises应力云图可以看到,在冲击开始的阶段,应力逐渐从中心向四周均匀传递,向4个方向不断扩展,最后传递到索网的4个角部.中心处的钢索受到的应力最大,大部分钢索在整个受力过程当中起到分散应力的作用.

在直径300 mm冲击物的冲击下,索网的动力响应最为强烈.由图17所示的塑性应变时程曲线,可以清晰地看到应变峰值已经达到0.11.随着碳纤维布层数的增加,索网有效塑性应变增大,且粘贴1层和粘贴2层碳纤维布索网的有效塑性应变变化趋势和极限峰值完全重合,这与单索和组合索的变化规律有一定的差异.索网在粘贴碳纤维布之后,最大位移和内能的转化率都呈现出下降趋势,与单索、组合索的表现一致.

图17 索网塑性应变-时程曲线Fig.17 Cable net plastic strain-time history curve