FRP片材加固砌體抗剪性能研究

程海濤 柳學(xué)花

采用FRP(Fiber Reinforced Plastic/Ploymer)片材對(duì)砌體進(jìn)行抗震加固是近年來新興的一種加固方法。目前國(guó)內(nèi)外已發(fā)表了不少有關(guān)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固砌體結(jié)構(gòu)方面的文章，絕大多數(shù)研究成果是通過試驗(yàn)研究得到的。由于受試驗(yàn)條件和經(jīng)費(fèi)的限制，試驗(yàn)所能提供的信息是有限的。有限元法為研究FRP加固砌體結(jié)構(gòu)受力性能提供了一種有效工具。本文利用有限元程序?qū)w維片材加固前后磚砌體墻片建立有限元分析模型進(jìn)行分析，并與已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以研究加固前后墻片的工作性能和內(nèi)部應(yīng)力分布情況。

1 FRP片材加固砌體的有限元模型

1.1 單元類型選取

砌體是由塊材和砂漿兩種性質(zhì)完全不同的材料組成的，這使得砌體表現(xiàn)出復(fù)雜的性質(zhì)。如何考慮兩種材料的關(guān)系，是正確分析砌體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。一般有把塊材和砂漿分開考慮、整體式考慮兩種方法。本文采用第二種方法。磚砌體采用Solid65單元，纖維片材采用Shell41膜單元，混凝土頂梁和底梁選用Solid45單元。

1.2 本構(gòu)關(guān)系

磚砌體墻片的本構(gòu)關(guān)系采用朱伯龍?zhí)岢龅钠鲶w受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式:受拉時(shí)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系基本上是線性的，達(dá)到極限應(yīng)力 ft后，強(qiáng)度迅速降低，砌體破壞。

根據(jù)纖維片材的材料特性，可以假定纖維片材是一種理想彈性材料，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線始終是直線，采用彈性應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。

1.3 墻體模型及網(wǎng)格劃分

2 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

有限元分析未加固墻體wall-1，五條CFRP加固墻體wall-2和五條GFRP加固墻體wall-5的極限荷載分別為:160 kN，230 kN，210 kN。有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比如表1所示。

表1 有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比表

從表1中可以看出，計(jì)算值都低于試驗(yàn)值。未加固墻體的極限承載力有限元分析值比試驗(yàn)值約小14%，五條碳纖維布加固墻體的極限荷載有限元分析值比試驗(yàn)值約小17.5%，五條玻璃纖維布加固墻體的極限荷載有限元分析值比試驗(yàn)值約小12.3%。二者差異的原因?yàn)?實(shí)際中砌體材料具有很大的離散性，有限元分析時(shí)沒有考慮粘結(jié)層的作用，試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)本身有一定的誤差。

盡管存在計(jì)算誤差，但仍然可以通過有限元計(jì)算結(jié)果定性分析加固前后墻體的受力性能:采用纖維布加固后墻體的應(yīng)力分布較未加固墻體均勻;在相同的水平側(cè)力作用下，纖維布加固后墻體的變形小于未加固墻體的，經(jīng)纖維布加固后墻體剛度的降低得到延緩，裂縫得到抑制，并且較分散;墻體和纖維布的角部及墻體中部裂縫較密，加固設(shè)計(jì)中可對(duì)該部位采取加強(qiáng)措施。

3 結(jié)語

通過利用所建立的有限元模型，對(duì)未加固墻片及五條10 cm寬碳纖維布和玻璃纖維布分別加固的砌體墻片進(jìn)行了受力分析，通過分析發(fā)現(xiàn):采用纖維布加固砌體結(jié)構(gòu)是行之有效的方法;纖維布加固后墻體的極限承載力有了明顯的提高，碳纖維布的加固效果優(yōu)于玻璃纖維布的。有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)分析結(jié)果相一致，說明所建立的有限元模型對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固砌體結(jié)構(gòu)的有限元分析是適用的。

[1] 趙均海.強(qiáng)度理論及其工程應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2003.

[2] 江見鯨.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限元分析[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

[3] 陸新征，馮 鵬，葉列平.FRP布約束混凝土方柱軸心受壓性能的有限元分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2003，36(2):46-51.

[4] 陸新征，江見鯨.用ANSYS solid65單元分析混凝土組合構(gòu)件復(fù)雜應(yīng)力[J].建筑結(jié)構(gòu)，2003，33(6):22-24.

[5] 王 珊，武建華.磚砌體的非線性計(jì)算[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，23(1):10-16.