frp材料對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行抗震加固的機理

frp材料對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行抗震加固的機理

0frp包裹混凝土結(jié)構(gòu)加固的應(yīng)用前景目前，世界上大量的混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施（橋梁、工業(yè)人民、公園設(shè)施等）由于缺乏項目和施工職能，對環(huán)境和自然災(zāi)害的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)本身的異質(zhì)性減少，而且使用強度和加固能力正在減少。fpr（纖維增強聚合物）用于修復(fù)和加固現(xiàn)有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。與其他加固加固技術(shù)相比，fpr加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)具有強度高、施工方便、耐久性和耐腐蝕性好、應(yīng)用廣泛、重量輕、不增加結(jié)構(gòu)尺寸等優(yōu)點。中國是一個多地震多發(fā)國。實踐表明，對于工程結(jié)構(gòu)，尤其是生命線工程中橋梁的延長抗彎試驗，采用frp支撐柱加固技術(shù)，可以獲得與周期服務(wù)相同的位移寬度延伸效果。然而，第一種方法可以從根本上改變巴西筋限制混凝土支撐柱在非相交道路上的張力損失的現(xiàn)象，這解決了難以解決的問題。同時，當(dāng)fpr用于加固橋梁時，通過使用高速硬化裝置，可以在不中斷交通的情況下加固橋梁。fpr包裹鋼筋混凝土加固技術(shù)是一種巨大潛力的抗疲勞動加固方法。本文采用大型商業(yè)通用軟件ANSYS對FRP包裹鋼筋混凝土墩柱抗震性能進行了有限元分析,并與試驗結(jié)果進行了比較,發(fā)現(xiàn)通過采用合理的單元類型、材料模型、收斂標(biāo)準(zhǔn)、屈服準(zhǔn)則,可以有效的模擬FRP包裹鋼筋混凝土墩柱抗震性能.對工程實踐具有一定的指導(dǎo)意義.1橫向化學(xué)藥劑橫向處理工藝地震過程中混凝土墩柱承受軸向壓力和彎曲應(yīng)力的共同作用,墩柱受壓區(qū)的混凝土不僅產(chǎn)生軸向變形,而且還會由于泊松效應(yīng)產(chǎn)生橫向變形,使得受壓區(qū)混凝土向外膨脹、破碎,從而使結(jié)構(gòu)承載能力下降.橫向纏繞FRP材料對受壓區(qū)混凝土由于泊松效應(yīng)而產(chǎn)生的橫向膨脹起到有效的約束作用,使得受壓區(qū)的混凝土處于三向受壓狀態(tài),提高了混凝土的極限抗壓變形性能,充分發(fā)揮了受拉區(qū)縱向鋼筋的塑性變形性能,從而改善了墩柱的延性,提高橋墩的抗震能力.2有限元模型建立本次有限元分析采用的試件是方柱,柱截面尺寸200mm×200mm,柱高900mm,剪跨比為4.5,混凝土強度設(shè)計等級C20,柱箍筋Ⅱ級,采用4根?14鋼筋,截面配筋率為1.539%,其屈服強度fy=360N/mm2,柱箍筋Ⅰ級,采用普通?6方箍,間距80mm,柱體積配箍率為0.785%.其屈服強度fy=375N/mm2,未加固柱混凝土實測軸心抗拉強度fc=14.7MPa,柱軸壓比為0.17,碳纖維布采用普通布,其計算厚度為0.103mm,極限抗拉強度為2100MPa.混凝土材料性能隨加載路徑而變化,在進行計算之前,需確定模型的加載路徑,本文加載方式采用擬靜力試驗的方法,首先將軸向荷載加至預(yù)定值,然后按分級加載的方式緩慢施加水平荷載,直至破壞,與試驗加載路徑一致.分析模型底部施加固定約束,以模擬墩柱根部節(jié)點.有限元試件分為三根柱,一根柱為對比柱(未加固柱),另兩根柱為加固柱,加固柱采用碳纖維布橫向包裹加固柱總共有兩根,加固方法采用碳纖維布自柱底向上橫向包裹,包裹范圍分別為300,600mm.碳纖維布的包裹層數(shù)為3層,考慮到纖維布多層工作時,存在使用效率問題,故纖維布間共同工作系數(shù)取為0.85.碳纖維布的本構(gòu)關(guān)系采用線彈性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,其彈性模量Es=2.8×105MPa.加固柱的軸壓比均為0.17.在ANSYS中,混凝土模型采用分布式模型,但為了更接近實際情況,鋼筋的分布僅在一定寬度的條帶范圍內(nèi),單元劃分中混凝土采用8結(jié)點六面體solid65單元,每個節(jié)點僅有3個方向的平動自由度,該單元可定義非線性的材料性能,混凝土可以在3個正交方向開裂、壓碎,塑性變形和徐變等.混凝土破壞準(zhǔn)則采用William-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則,裂縫采用彌散式裂縫模型(SmearedCrackingModel),當(dāng)混凝土單元的主拉應(yīng)力超過與其應(yīng)力狀態(tài)相對應(yīng)的混凝土抗拉強度時,認(rèn)為該單元沿垂直與主拉應(yīng)力方向開裂,混凝土單元開裂后,認(rèn)為垂直裂縫方向不再傳遞拉力,并相應(yīng)地調(diào)整單元剛度矩陣.碳纖維布采用4結(jié)點shell41膜單元,同樣,其每個節(jié)點也僅有三個方向的平動自由度,該單元僅有面內(nèi)剛度,沒有面外剛度,通過keyopt(1)的選擇,僅能受拉,當(dāng)受壓時就會產(chǎn)生褶皺.對比柱和加固柱的有限元模型如圖1.3鋼筋混凝土的力學(xué)性質(zhì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析的最大難點在于本構(gòu)模型的準(zhǔn)確描述,鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種具有不同物理-力學(xué)性能的材料組合而成的復(fù)合材料,為建立其本構(gòu)關(guān)系,首先應(yīng)把握兩者的力學(xué)性質(zhì).通常,混凝土材料和鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有如下幾種:3.1鋼筋結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系1采用理想的線性模型，數(shù)學(xué)表達如下當(dāng)εs≤εy時,σs=Esεs;當(dāng)εy≤εs≤εs,h時,σs=fy.在ANSYS中,選用經(jīng)典雙線性隨動強化模型(BKIN).2經(jīng)典多線性隨動強化模型當(dāng)εs≤εy,εy≤εs≤εs,h時,表達式同理想彈塑性的雙直線模型,當(dāng)εs,h≤εs≤εs,u時,σs=fy+(εs-εs,h)Es′,本文中取Es′=0.01Es.在ANSYS中,選用經(jīng)典多線性隨動強化模型(MKIN).3.2anasas長混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線1)采用Hognested根據(jù)大量試驗提出的無約束混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線,其計算式如下:當(dāng)εc≤εco時,fc=ftc(2εcεco?(εcεco)2)fc=fct(2εcεco-(εcεco)2);當(dāng)εco≤εc≤εu時,fc=ftc(1?0.15(εc?εcoεu?εco))fc=fct(1-0.15(εc-εcoεu-εco)).其中,ftc,εco分別為無約束混凝土圓柱體抗壓強度及相應(yīng)的縱向壓應(yīng)變,εu為極限壓應(yīng)變(取εco=0.002,εu=0.0038).在ANSYS中,用多線性等向強化模型(MISO),且按實際情況,在混凝土中需布置縱筋及箍筋.2)采用目前廣泛采用的Mander等人在大量試驗基礎(chǔ)上提出的約束混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線,其計算式如下:fc=ftcc(εc/εcc)rr?1+(ε0/εcc)rεcc=εc0[5(ftccftc?1)+1]?r=Ec/(Ec?Esec),Ec=5000ftc??√,Esec=ftc/εcc.fc=fcct(εc/εcc)rr-1+(ε0/εcc)rεcc=εc0[5(fcctfct-1)+1]?r=Ec/(Ec-Esec),Ec=5000fct,Esec=fct/εcc.式中:ftcc為約束混凝土的峰值縱向壓應(yīng)力;εcc為相應(yīng)于ftcc的縱向壓應(yīng)變,經(jīng)計算,ftcc=23.5MPa,εcc=0.008.具體參數(shù)含義詳見文獻.在ANSYS中,選用經(jīng)典多線性隨動強化模型(MKIN),在混凝土中只需布置縱筋,不布置箍筋.本次對比柱模型中的鋼筋和混凝土的本構(gòu)關(guān)系分別采用兩種不同的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,即混凝土采用Hognested提出的無約束的混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和鋼筋采用理想彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系;混凝土采用Mander提出的約束的混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和鋼筋采用完全彈塑性加強化段的三折線模型進行了比較分析(見表1),發(fā)現(xiàn)混凝土采用Hognested提出的無約束的混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和鋼筋采用理想彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與文獻的試驗結(jié)果較為接近,因此,加固柱模型中的鋼筋和混凝土的本構(gòu)關(guān)系僅僅采用前者進行了分析.4混凝土本構(gòu)模型的建立對比柱的有限元分析結(jié)果見表1,其應(yīng)云圖見圖2a.加固柱的有限元分析結(jié)果見表2,其中加固柱2的應(yīng)力圖見圖2b.通過對對比柱采用兩種不同的混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系比較可知,當(dāng)混凝土采用Mander模型時,極限承載力與試驗值相差不多,但墩柱的極限位移要明顯低于試驗值,這說明在進行鋼筋混凝土有限元分析時,混凝土中的箍筋作用不能夠簡單的采用有約束的混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系代替.因此,在利用ANSYS對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行有限元分析時,建議混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系應(yīng)采用Hognested提出的無約束混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,鋼筋的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性的雙直線模型.通過將對比柱的力學(xué)響應(yīng)與加固柱的力學(xué)響應(yīng)比較發(fā)現(xiàn),加固柱1的極限承載力提高了13.7%,但位移延性比卻提高了27.7%;加固柱2的極限承載力提高了29.7%,但位移延性比卻提高了46.8%.原因如下:由于FRP材料的約束,受壓區(qū)混凝土處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài),相對于各自極限荷載而言,對比柱受壓區(qū)的最大軸向壓應(yīng)力為-15.9MPa,而加固柱2受壓區(qū)的最大軸向壓應(yīng)力為-20.3MPa,提高了近27.6%,所以提高了鋼筋混凝土墩柱的正截面承載能力;同時,隨著混凝土受壓區(qū)承載力的提高,加固柱的受壓區(qū)面積可以進一步減小,受拉鋼筋可以繼續(xù)發(fā)生形變,所以提高了墩柱的延性.且墩柱延性的改善要遠高于其承載能力的改善,證明了橫向包裹FRP材料提高墩柱延性的有效性.5單元坐標(biāo)系實現(xiàn)1)在采用FRP橫向纏繞鋼筋混凝土墩柱時,應(yīng)合理的定義FRP材料的力學(xué)性能,使其能夠真正達到有效的約束鋼筋混凝土墩柱的作用,這一功能可利用ANSYS中的單元坐標(biāo)系實現(xiàn).2)對鋼筋混凝土進行有限元分析時,應(yīng)關(guān)閉混凝土壓碎,此