frp材料对钢筋混凝土结构进行抗震加固的机理

frp材料对钢筋混凝土结构进行抗震加固的机理

0frp包裹混凝土结构加固的应用前景目前，世界上大量的混凝土结构基础设施（桥梁、工业人民、公园设施等）由于缺乏项目和施工职能，对环境和自然灾害的影响，导致结构本身的异质性减少，而且使用强度和加固能力正在减少。fpr（纤维增强聚合物）用于修复和加固现有的钢筋混凝土结构。与其他加固加固技术相比，fpr加固混凝土结构技术具有强度高、施工方便、耐久性和耐腐蚀性好、应用广泛、重量轻、不增加结构尺寸等优点。中国是一个多地震多发国。实践表明，对于工程结构，尤其是生命线工程中桥梁的延长抗弯试验，采用frp支撑柱加固技术，可以获得与周期服务相同的位移宽度延伸效果。然而，第一种方法可以从根本上改变巴西筋限制混凝土支撑柱在非相交道路上的张力损失的现象，这解决了难以解决的问题。同时，当fpr用于加固桥梁时，通过使用高速硬化装置，可以在不中断交通的情况下加固桥梁。fpr包裹钢筋混凝土加固技术是一种巨大潜力的抗疲劳动加固方法。本文采用大型商业通用软件ANSYS对FRP包裹钢筋混凝土墩柱抗震性能进行了有限元分析,并与试验结果进行了比较,发现通过采用合理的单元类型、材料模型、收敛标准、屈服准则,可以有效的模拟FRP包裹钢筋混凝土墩柱抗震性能.对工程实践具有一定的指导意义.1横向化学药剂横向处理工艺地震过程中混凝土墩柱承受轴向压力和弯曲应力的共同作用,墩柱受压区的混凝土不仅产生轴向变形,而且还会由于泊松效应产生横向变形,使得受压区混凝土向外膨胀、破碎,从而使结构承载能力下降.横向缠绕FRP材料对受压区混凝土由于泊松效应而产生的横向膨胀起到有效的约束作用,使得受压区的混凝土处于三向受压状态,提高了混凝土的极限抗压变形性能,充分发挥了受拉区纵向钢筋的塑性变形性能,从而改善了墩柱的延性,提高桥墩的抗震能力.2有限元模型建立本次有限元分析采用的试件是方柱,柱截面尺寸200mm×200mm,柱高900mm,剪跨比为4.5,混凝土强度设计等级C20,柱箍筋Ⅱ级,采用4根ϕ14钢筋,截面配筋率为1.539%,其屈服强度fy=360N/mm2,柱箍筋Ⅰ级,采用普通ϕ6方箍,间距80mm,柱体积配箍率为0.785%.其屈服强度fy=375N/mm2,未加固柱混凝土实测轴心抗拉强度fc=14.7MPa,柱轴压比为0.17,碳纤维布采用普通布,其计算厚度为0.103mm,极限抗拉强度为2100MPa.混凝土材料性能随加载路径而变化,在进行计算之前,需确定模型的加载路径,本文加载方式采用拟静力试验的方法,首先将轴向荷载加至预定值,然后按分级加载的方式缓慢施加水平荷载,直至破坏,与试验加载路径一致.分析模型底部施加固定约束,以模拟墩柱根部节点.有限元试件分为三根柱,一根柱为对比柱(未加固柱),另两根柱为加固柱,加固柱采用碳纤维布横向包裹加固柱总共有两根,加固方法采用碳纤维布自柱底向上横向包裹,包裹范围分别为300,600mm.碳纤维布的包裹层数为3层,考虑到纤维布多层工作时,存在使用效率问题,故纤维布间共同工作系数取为0.85.碳纤维布的本构关系采用线弹性的应力应变关系,其弹性模量Es=2.8×105MPa.加固柱的轴压比均为0.17.在ANSYS中,混凝土模型采用分布式模型,但为了更接近实际情况,钢筋的分布仅在一定宽度的条带范围内,单元划分中混凝土采用8结点六面体solid65单元,每个节点仅有3个方向的平动自由度,该单元可定义非线性的材料性能,混凝土可以在3个正交方向开裂、压碎,塑性变形和徐变等.混凝土破坏准则采用William-Warnke五参数破坏准则,裂缝采用弥散式裂缝模型(SmearedCrackingModel),当混凝土单元的主拉应力超过与其应力状态相对应的混凝土抗拉强度时,认为该单元沿垂直与主拉应力方向开裂,混凝土单元开裂后,认为垂直裂缝方向不再传递拉力,并相应地调整单元刚度矩阵.碳纤维布采用4结点shell41膜单元,同样,其每个节点也仅有三个方向的平动自由度,该单元仅有面内刚度,没有面外刚度,通过keyopt(1)的选择,仅能受拉,当受压时就会产生褶皱.对比柱和加固柱的有限元模型如图1.3钢筋混凝土的力学性质钢筋混凝土结构有限元分析的最大难点在于本构模型的准确描述,钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种具有不同物理-力学性能的材料组合而成的复合材料,为建立其本构关系,首先应把握两者的力学性质.通常,混凝土材料和钢筋的应力应变关系有如下几种:3.1钢筋结构的本构关系1采用理想的线性模型，数学表达如下当εs≤εy时,σs=Esεs;当εy≤εs≤εs,h时,σs=fy.在ANSYS中,选用经典双线性随动强化模型(BKIN).2经典多线性随动强化模型当εs≤εy,εy≤εs≤εs,h时,表达式同理想弹塑性的双直线模型,当εs,h≤εs≤εs,u时,σs=fy+(εs-εs,h)Es′,本文中取Es′=0.01Es.在ANSYS中,选用经典多线性随动强化模型(MKIN).3.2anasas长混凝土的应力应变曲线1)采用Hognested根据大量试验提出的无约束混凝土的应力应变曲线,其计算式如下:当εc≤εco时,fc=ftc(2εcεco−(εcεco)2)fc=fct(2εcεco-(εcεco)2);当εco≤εc≤εu时,fc=ftc(1−0.15(εc−εcoεu−εco))fc=fct(1-0.15(εc-εcoεu-εco)).其中,ftc,εco分别为无约束混凝土圆柱体抗压强度及相应的纵向压应变,εu为极限压应变(取εco=0.002,εu=0.0038).在ANSYS中,用多线性等向强化模型(MISO),且按实际情况,在混凝土中需布置纵筋及箍筋.2)采用目前广泛采用的Mander等人在大量试验基础上提出的约束混凝土的应力应变曲线,其计算式如下: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为约束混凝土的峰值纵向压应力;εcc为相应于ftcc的纵向压应变,经计算,ftcc=23.5MPa,εcc=0.008.具体参数含义详见文献.在ANSYS中,选用经典多线性随动强化模型(MKIN),在混凝土中只需布置纵筋,不布置箍筋.本次对比柱模型中的钢筋和混凝土的本构关系分别采用两种不同的应力应变关系,即混凝土采用Hognested提出的无约束的混凝土应力应变关系和钢筋采用理想弹塑性应力应变关系;混凝土采用Mander提出的约束的混凝土应力应变关系和钢筋采用完全弹塑性加强化段的三折线模型进行了比较分析(见表1),发现混凝土采用Hognested提出的无约束的混凝土应力应变关系和钢筋采用理想弹塑性应力应变关系与文献的试验结果较为接近,因此,加固柱模型中的钢筋和混凝土的本构关系仅仅采用前者进行了分析.4混凝土本构模型的建立对比柱的有限元分析结果见表1,其应云图见图2a.加固柱的有限元分析结果见表2,其中加固柱2的应力图见图2b.通过对对比柱采用两种不同的混凝土应力应变关系比较可知,当混凝土采用Mander模型时,极限承载力与试验值相差不多,但墩柱的极限位移要明显低于试验值,这说明在进行钢筋混凝土有限元分析时,混凝土中的箍筋作用不能够简单的采用有约束的混凝土的应力应变关系代替.因此,在利用ANSYS对钢筋混凝土结构进行有限元分析时,建议混凝土材料的本构关系应采用Hognested提出的无约束混凝土的应力应变关系,钢筋的本构关系采用理想弹塑性的双直线模型.通过将对比柱的力学响应与加固柱的力学响应比较发现,加固柱1的极限承载力提高了13.7%,但位移延性比却提高了27.7%;加固柱2的极限承载力提高了29.7%,但位移延性比却提高了46.8%.原因如下:由于FRP材料的约束,受压区混凝土处于三向受压应力状态,相对于各自极限荷载而言,对比柱受压区的最大轴向压应力为-15.9MPa,而加固柱2受压区的最大轴向压应力为-20.3MPa,提高了近27.6%,所以提高了钢筋混凝土墩柱的正截面承载能力;同时,随着混凝土受压区承载力的提高,加固柱的受压区面积可以进一步减小,受拉钢筋可以继续发生形变,所以提高了墩柱的延性.且墩柱延性的改善要远高于其承载能力的改善,证明了横向包裹FRP材料提高墩柱延性的有效性.5单元坐标系实现1)在采用FRP横向缠绕钢筋混凝土墩柱时,应合理的定义FRP材料的力学性能,使其能够真正达到有效的约束钢筋混凝土墩柱的作用,这一功能可利用ANSYS中的单元坐标系实现.2)对钢筋混凝土进行有限元分析时,应关闭混凝土压碎,此