玄武岩纤维加固混凝土柱抗震性能分析.pdf

8 0 低温建筑技术 2 0 1 3年第 6期 ( 总第 1 8 0期) 玄武岩纤维加 固混凝土柱 抗震性能分析 杨德健 ， ( 天津城建学院 。 张晓雪 天津3 0 0 3 8 4) 【 摘要】 基于玄武岩纤维加固矩形柱低周反复荷载试验结果 ， 利用 A N S Y S 育限元软件， 对其进行 了低周 反复荷载作用下全过程的非线性有限元分析， 所得的滞回曲线与试验值能较好的吻合， 同时研究了玄武岩纤维粘 贴位置的不同对矩形柱抗震性能的影响。分析结果表明， 利用玄武岩纤维加固 凝上挂自助于提高其抗震性能， 有限元软件能较好的分析玄武岩纤维加固钢筋混凝土矩形柱的抗震性能。 【 关键词】 玄武岩纤维； 钢筋混凝土； 矩形柱； 滞回曲线 【 中图分类号】 T U 3 7 5 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 8 0 0 4 近年来， 随着对建筑物的安全性、 适用性、 耐久性要求 的提高， 人们 日益重视现有结构的维护和补强加固。仅就 加固技术而言， 采用纤维增强复合材料对钢筋混凝土结构 进行修复加固的方法具有较高的强度， 较好的耐腐蚀性能 和耐久性 ， 不增加构件 自重及体积， 适用面广和便于施工， 而深得人们的重视和推崇。 国内开发的玄武岩纤维增强复合材料， 与碳纤维材料 相比， 虽然力学性能略差 ， 但其市场价格仅为碳纤维的 1 3 左右。而且玄武岩纤维材料具有更加优 良的延伸率 ， 因此 它在工程方面的实 际应用 被许 多的工程技术人 员所关 注 。但是我 国对玄武岩纤 维在 土木 工程领域 的应用 研究 还处于起步阶段 ， 其 中欧 阳煜 等对 玄武 岩纤 维加 固钢 筋混 凝土梁 、 柱进行 了抗震性 能研究 ， 了解 玄武岩 纤维 的加 固效 果。同济大学周运瑜、 余江滔 ， 对玄武岩纤维加固震损混凝 土框架节点的抗震性能进行了试验研究， 并对加固方案进 行了优化 j 。 目前 ， 应用玄武岩纤维对构件的抗震加 固研究很少。 本文拟采用 A N S Y S软件建立钢筋混凝土矩形柱， 进行非线 性有限元分析 ， 得出构件加固前与加固后的滞回曲线， 并与 试验结果进行比较 ， 验证 A N S Y S软件进行玄武岩纤维加固 混凝土柱抗震分析 的可 行性 ， 并 对 玄武 岩纤 维加 固位置 对 其抗震性能的影响进行分析。 1 钢 筋混凝土柱 抗震拟静力试验方案 本文利用参考文献 1 中的拟静力试验进行建模 ， 其拟 静力试验概况如下 ： 矩形柱拟静力试验中， 共制作了4个钢筋混凝土方柱， 分别为 1 个标准柱、 2个 C F R P加固柱及 1个连续玄武岩纤 维加固柱。方柱的边长为 3 6 0 m m， 总高度为 1 6 0 0 m m， 整个 试件 呈工 字形， 底部 墩 子起 固定 作 用， 柱 区段 长度 为 6 0 0 mm， 试 件 所 用 混 凝 土 立 方 体 抗 压 强 度平 均值 为 3 4 6 MP a ， 纵筋为 1 4 2 5 ， 屈服 强度 3 8 2 4 M P a ， 箍 筋为 p 6 1 5 0， 屈服强度 3 1 9 8 MP a 。 2 非线性有 限元模型 的建 立 A N S Y S作为大型通用有限元分析软件， 能够进行各种 学科研究 ， 已成为土木建筑行业仿真分析的主要应用软件。 本文采用 A N S Y S软件， 通过设置各种参数以及单元合理选 取、 网格划分等各种因素， 使分析结果真实反映实际结构的 受力性能。 本文依据上述试验， 对两个钢筋混凝土矩形柱进行 了 建模分析 ， 其中一组为未加固柱的， 一组为黏贴玄武岩纤维 加 固柱 。 I 图1矩形柱整体有限元模型 图2钢筋骨架模型 2 1 有限元模型单元的选取 为 了能准确 的得 到钢筋 混凝 土矩 形柱 的 滞 回曲 线 ， 本 文拟采用分离式模型来模拟钢筋混凝土。 ( 1 ) 混凝土采用S o l i d 6 5单元模拟。S o l i d 6 5单元有八 个节点， 每个节点有三个 自由度， 即 ， Y和 z方向。该单元 可模拟塑性变形及蠕变， 混凝土破碎及开裂。S o l i d 6 5与 S o l i d 4 5单元( 三维结构实体单元) 相似 ， 但是增加了描述开裂 与压碎的性能。 ( 2 ) 3 D桁架 L i n k 8 单元有两个节点 ， 每个 节点具有 三 个 自由度： 沿节点坐标系 、 Y 、 方向的平动。L i n k 8单元用 途广泛， 比如可以模拟桁架 、 缆索 、 连杆、 弹簧等。本文用来 模拟离散钢筋。 ( 3 ) 玄武岩纤维布用 S h e l l 4 1 单元进行模拟。S h e l l 4 1 单元是膜壳， 平面内具有膜强度但平面外没有弯曲强度， 正 好用来模拟玄武岩纤维布。因为玄武岩纤维布和混凝土之 间通过 树脂粘贴 ， 具有 良好 的粘 结界 面 ， 因此可 以不 必考虑 二者之间的错动， 让纤维布和混凝土之 间共用节点 ， 位移 协调。 ( 4 ) 为了避免加载中出现应力集 中导致矩形柱局部 开裂 ， 文 中采取 了在矩形柱上部包裹钢 垫板 。钢 垫板用 S o l 杨 德健等 ： 玄武岩纤维加固混凝 土柱抗震性能分析 8 1 i d 4 5单元模拟。S o l i d 4 5单元具有塑性 ， 蠕性， 膨胀， 应力强 大， 大变形和大应变能力。 2 2 钢筋混凝土的本构关系及破坏准则 ( 1 ) 钢筋的本构关系。钢筋最常用的本构模型有 四 种： 理想弹塑性模型、 双折线弹性塑性模型、 双线性随动强 化模型、 弹性 一理想塑性 一硬化塑性模型。本文拟采用经 典双线性随动强化( B K I N) 模型， 屈服应力为 3 8 2 4 MP a ， 切 线模量为2 e g P a 。钢筋在反复荷载作用下存在着包辛格效 应， 为了真实地反映钢筋的这种效应， 在反复荷载作用下进 入塑性时 ， 就遵守 V o n M i s e s屈服准则 。 ( 2 ) 混凝土的本构关系及破坏准则。混凝土应力应 变曲线采用多线性 随动强化模型 ， 屈服准则 采用 Mi s e s屈服 准则， 破坏准采用 Wi l l i a mWa r n k e 5参数破坏曲面。假定 反复荷载下混凝土的应力 应变曲线的外包络线与等效单轴 应力 一应变曲线重合。 为了使计算能有效收敛， 参数设置如下： 未考虑混凝 土受压应力 一应变曲线的下降段 ； 根据经验将裂缝张开 剪力传递系数、 裂缝闭合剪力传递系数分别取 0 5和0 9 5 ； 关闭混凝土的压碎功能， 设置单轴抗压强度为 一1 。如果 在计算中考虑混凝土的压碎破坏， 有限元模型会较早失效， 得到极限荷载要比实际的小很多 ， 为了得到较为准确的钢 筋混凝土构件极限荷载与整个荷载 一位移曲线， 因此关闭 了混凝土压碎能力 。 ( 3 ) 玄武岩纤维的本构关系。玄武岩纤维布采用线 弹性模型。因为纤维布在拉断以前是保持弹性性能的， 承 受拉 力。在达到极 限抗 拉强度 之后 ， 纤维 布破坏 ， 丧失受 力 性能。 3 有 限元模型加载 ( 1 ) 加载制度。施加反复荷载的方式有三种 ： 变位移 加载； 变力加载； 变力 一变位移加载。 本次试验 为拟静 力试 验 ， 在 预定 轴力下 进行 横 向低 周 侧 向位移 m m 试验值 一计算值 图3 未加固矩形柱滞 回曲线 如图3 、 图4所示， 计算得到的滞回曲线与试验得到的 滞回曲线可以很好的吻合 ， 但是二者的位移相差较大， 这是 因为在计算中未考虑混凝土的压碎选项和各种单元材料之 间的粘结滑移作用。在计算中， 不同材料类型的单元在交 接处共用节点， 假定钢筋与混凝土， 混凝土与纤维布之间能 很好的粘结在一起 。 ( 2 ) 构件极限承载力。A N S Y S程序计算的极限承载 力和侧向位移与试验得到的极限承载力和侧向位移见表 1 循环反复加载。试验时， 由柱顶竖向千斤顶加载至预定值 ， 并保持恒定， 然后施加水平低周反复荷载。水平加载程序 采用变力 一变位移双控制方法 ： 在屈服前， 以荷载值控制加 载， 每级荷载循环一次 ； 屈服后， 以水平位移值控制加载， 水 平位移值取试件屈 服位 移值 的整 数倍等 增 量加 载 ， 每级 荷 载循环3次， 直至试件破坏或水平荷载下降太大。 在使用 A N S Y S对结构进行加载时， 通过定义荷载步和 荷载子步将荷载分为一系列的荷载增量， 有限元求解时， 在 每一荷载增量内进行一系列的线性逼近以达到平衡。 ( 2 ) 收敛设置。为了加速计算收敛， 本文采取了一系 列措施来达到 目的： 网格划分的粗细直接影响到计算精 度 ， 同时也会 影 响计算 收敛 。网格划 分太粗 会 使计 算不 准 确， 而网格划分太细又会使计算时间太长不稳定。经多次 计算调整后， 本文将 网格划分密度控制在 5 0 mm； 通过 n s u b s t 命令多次调整子步数 ， 直至计算能正常收敛。经过试 算， 本文取子步数为 2 5 ； 取 4 的收敛精度， 放宽收敛标 准， 利于收敛 ； 打开自动时间分步、 自动求解设置与线性 搜索选项； 关闭混凝土的压碎选项 ， 即令混凝土单轴抗压 强度为 一1 ； 每一子步中方程的迭代次数限值为 5 0次； 所有计算均进行至试验加载过程全部完成或计算不能收敛 为止。 4 有限元计算结果分析 ( 1 ) 构件的滞 回曲线。滞回曲线是结构或构件在循 环反复荷载作用下的力 一变形曲线， 是一种恢复力曲线， 它 表征着恢 复力 与变 形的关 系 ， 反应 了结构 的刚度 、 延 性 、 承 载力、 吸能与耗能能力等。循环反复加载主要用来研究钢 筋混凝土材料与结构承受地震作用的抗震性能。 计算完成后 ， 进入 A N S Y S的后处理界面， 利用 A P D L参 数化设计语言编制的命令流提取位移加载点的反力及柱顶 位移值， 即可得钢筋混凝土柱的滞回曲线。 和表 2 。 侧 向位移 mm 一 试验值 一计算值 图g 计算所得滞 回曲线与实验结果对 比 表 1 未加 固矩形柱计算值与试验值对 比 至 、 耀 乏 埠 8 2 低温建筑技术 2 0 1 3年第 6期 ( 总第 1 8 0期 ) 由表中数据可以看出， A N S Y S有限元软件能较准确的 模拟玄武岩纤维加固钢筋混凝土矩形柱受力性能， 加固后 矩形柱极限荷载提高了 1 9 7 。这说明玄武岩纤维加固矩 形柱可以提高其受力性能及延性。 表2 加固矩形柱计算值与试验值对比情况 试验值与计算值基本吻合， 说明利用 A N S Y S 有限元软 件分析纤维加固矩形柱的受力性能是可行 的， 从而可以通 过有限元模拟的方法对玄武岩纤维加固混凝土结构的受力 性能和机理进行深入的分析研究。 5 加固方式的影响 本文研究了在纤维布面积一定的情况下 ， 加 固位置及 分布方式的不同对矩形柱抗震性能的影响。三种加固方案 如图5所示， 分别为两端加固、 均匀加固及中间加固， 且各方 案中所用的玄武岩纤维面积及层数相同。 口 垦 茎 嗣 ( a ) 两端加 固 ( b ) 均匀加 固 ( c ) 中间加固 图5构件加 固方式 镧向位移， mm 两端加固 均匀加 固 一中部加固 图6 三种加固方式的滞 回曲线 表 3 三种加固方式特征点 计算得到的三种加固方式的滞回曲线如图6所示。将 图6与图3比较可知， 三种加固方式加固后， 构件的抗震性 能均得到了改善； 两端加固和均匀加固好于中部加固， 其滞 回曲线更加饱满； 两端加固方式对柱的抗震性能改善最好， 略高于均匀加固方式。 由表 3可知 ， 两端加固的极限荷载为 7 2 4 k N， 均匀加 固 的极限荷载为7 0 6 k N， 中部加固的极 限荷载为 6 5 9 k N， 相比 未加固柱分别提高 1 8 ， 1 6 ， 9 。说 明两端加固优于均 匀加固， 均匀加固优于中部加固， 因此在工程实际应用中要 优先选择两端加固方式。采用两端加固方式既可以节省纤 维材料， 还能提高加固效果。这主要是因为， 约束钢筋混凝 土矩形柱的延性依赖于玄武岩纤维加 固宽度的有效约束 采用两端加固方式对核心混凝土的约束作用较大， 从而其 延性较好。 6给语 本文通过对试验模拟分析， 验证了模型的正确性以及 模拟计算中的各参数值设置的合理性， 证明利用非线性有 限元程序模拟玄武岩纤维布加固钢筋混凝土矩形柱是可行 的。利用 A N S Y S有限元软件分析时， 合理地选用单元类型、 材料模型和有限元计算方式 ， 可以准确模拟玄武岩纤维布 加固钢筋混凝土矩形柱的受力性能 ， 从而可以降低试验工 作量和经济的投入 ， 提高分析效率。 在玄武岩纤维一定的情况下， 采用不同的加固方式对 加固效果也有很大的影响， 由本文研究结果可以看出， 三种 加固方式均能提高构件的抗震性能， 两端加 固效果最好 ， 均 匀加固次之， 中间加固效果最差。 参考文献 1 吴刚， 顾冬生， 蒋剑彪， 吴智深， 胡显奇 玄武岩纤维与碳纤维 加 固混凝土矩形柱抗震性能 比较研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 6 ) ： 1 4一1 2 吴 刚， 吕志涛， 蒋剑彪 碳纤维布加固钢筋混凝土柱抗震性能 的试验研究 J 建筑结构， 2 0 0 2 ， ( 1 0 ) 3 吴刚 玄武岩纤维与碳纤维加固混凝土圆形柱抗震性能比较 研究 J 工业建筑， 2 0 0 7， 3 7 ( 6 ) ： 1 9 2 3 4 魏洋， 吴 刚， 吴智深 ， 蒋剑彪 ， 顾冬生 C F R P加 固混凝土 短方 柱 抗震性能试验研究 J 工程抗震 与加 固改造 ， 2 0 0 7 ， ( 1 ) 5 周运瑜 玄武岩纤维 加固震损 三维混凝 土框架 节点抗震试 验 J 同济大学学报 ， 2 0 1 1 ， 3 9 ( 1 ) 6 欧阳煜， 王鹏， 张云超 玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁受弯 受剪承载力计算分析( J 工业建筑 ， 2 0 0 7， 3 7 ( 6 ) ： 2 4 2 7 7 齐风杰， 李锦文， 李传校， 等 连续玄武岩纤维研究综述 J 高科技纤维与应用 ， 2 0 0 6， 3 1 ( 2 ) ： 4 14 6 【 8 张轲， 岳瑞清， 叶列平 碳纤维布加固钢筋混凝土柱滞回耗能 分析及 目标延性系数确定 J 工业建筑 ， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 6 ) ： 58 9 K w a n W P ， B i l l i n g t o n S L S i m u l a t i o n o f s t r u c t u r a l c o n c r e t e u n d e r c y c l i c l o a d J J o u r n a l o f S t r c t u r a J E n g i n e e r i n g， A S C E ， 2 0 0 1。 1 2 7 ( 1 2 )： 1 3 9 11 4 0 1 1 0 S h e i k h S A， Y a u G S e i s mi c b e h a v i o u r o f c o n c ret e c o l u m n s c o n fi n e d w i t h s t e e l a n d fi b re- - r e i n f o r c ed p o l y m e r s J A C I S t r u e t J ， 2 0 0 2 9 9 ( 1 ) 褥埠