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1、FRP加固钢筋混凝土梁柱框架结构抗连续倒塌性能的研究,建筑结构论文重要建筑物如(如军事指挥所、办公大楼、大型商场)极易成为战争攻击和恐惧袭击的目的,由于这些建筑物一旦被摧毁,不但能够造成大量人员(十分是重要人物)的伤亡,而且会迅速引起广大民众恐慌,瓦解军心民心.如 2003 年美伊战争便是从美国空袭萨达姆当局领导层所在的总统府开场的;而 9-11 事件在造成宏大的人员伤亡和财产损失的同时,也使其民众人心惶惶.另一方面,通过对海湾战争中叙利亚有无填充墙的建筑受导弹攻击后倒塌规模的比照2和五角大楼遭到袭击后长时间保持稳定3可知,具有一定构造冗余度的建筑物能够有效地阻止倒塌蔓延,降低构造毁坏范围.连
2、续倒塌作为一种极端的倒塌形式,是指构造在局部构件遭到偶尔荷载(如战争攻击、恐惧袭击、汽车冲击等)发生倒塌后造成内力重分布,致使相邻构件接连失效,最终发生大面积、整体性的倒塌. 随着攻击制导武器的日趋精到准确和恐惧主义蔓延,我们国家很多重要建筑物的构造冗余度亟待加强,以提升其抗连续倒塌能力.FRP(Fiber Reinforced Ploymer)是一类应用普遍的新型高强材料,本文运用有限元分析的方式方法对采用不同 FRP 粘贴方案后钢筋混凝土梁柱框架构造抗连续倒塌性能进行比照,探寻最优方案. 2 研究综述 钢筋混凝土抗连续倒塌相关研究主要包括分析连续倒塌工程事故、通过构造倒塌经过试验总结力的转
3、换机制、探寻连续倒塌机理和提出设计方式方法等方向.英国、欧盟、美国、加拿大等均有自个比拟完善的抗连续倒塌规范.抗连续倒塌设计不同于一般构造设计的地方在于其对构造构件的延性提出了更高层次的要求,且容许构造有一定比例的毁坏和一定范围的变形.比方 DoD20204对于钢筋混凝土框架构造,为考虑动力效应,在拆除构件法中,当采用非线性静力分析和变形控制时,应采用下面的荷载组合: 华而不实 为荷载放大系数,D 和 L 分别为恒载和活载. FRP 常用于构造构件的抗弯、抗剪和抗压加固,抗连续连续倒塌加固的目的是为了提升构件的耗能能力和延性,需综合考虑上述加固形式.CFRP(Cabon Fiber Reinf
4、orced Ploymer,碳纤维布)与 GFRP(Glass FiberReinforced Ploymer,玻璃纤维布)是两种常用且发展成熟的 FRP 加固材料,其比重仅有钢筋 1/4 到 1/3,拉伸强度却是钢筋的 10 倍左右5.但其延伸率很小,如 T300 的 CFRP 仅有 1.71%的延伸率,且没有明显的委屈服从强度,易发生脆性断裂.相对而言 GFRP 较 CFRP 的弹性模量要小、延伸率要大,故变形能力较 CFRP要好.敬登虎6通过试验发现 GFRP 加固后构件的延性几乎是 CFRP 的 2.5 倍.当前文献中对 CFRP 和 GFRP加固钢筋混凝土构造抗连续倒塌比照的相关研究
5、较少见. LS-DYNA 能够模拟构造的大位移大变形等非线性情况.孟一7对 LS-DYNA 常用的混凝土材料模型进行了总结比照,发现新增的 CSCM 模型合适应用在构造倒塌分析领域,并校正了相关材料参数.Jin-WonNam8等人比照四种不同的 FRP 布有限元模型,发现正交异性线弹性模型更合适运用在其对混凝土构造加固的模拟上. 3 算例 3.1 试件设计 本文设计了一栋五层钢筋混凝土框架构造(如此图 1 所示),并沿底层纵向取出两跨一层的梁柱框架子构造,假设华而不实间柱已经失效.梁柱纵筋均采用 HRB400,箍筋采用 HPB300,并根据规范规定1 进行加密,混凝土采用 C30,保卫层厚度为
6、 25mm.此算例旨在为后期现场试验提供理论支持. 为了探究 FRP 对提高其抗连续倒塌性能效果最佳加固形式,本文综合考量其经济性和加固效果,通过在梁底、梁顶及改变加固长度组合了各种加固方案进行尝试,选择典型方案列于表 1. 3.2 建模 本文在 ANSYS 建立了不同加固方案的 1/2 对称有限元模型(图 2)后,在 LS-DYNA 中进行相关计算. 华而不实混凝土、钢筋和 FRP 的采用的单元类型分别为 SOLID164、BEAM161 和 SHELL163,材料本构分别为盖帽模型(*MAT_CSCM)、随动塑性强化模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)、正交异性线弹性弹性模
7、型(*MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC).十分的,为了防止施加荷载时出现应力集中,在中间柱头上方设置一块加载垫块,使用 SOLID164 单元类型和刚体材料本构(*MAT_RIGID),构造与地面(刚体)连接9. 为证实有限元模型的准确性,本文对湖南大学易伟健等人的平面框架连续倒塌试验(图 3a、图 3c)10 进行模拟,建立了如此图 3b 所示的有限元模型,再现了构造的倒塌经过,通过中柱位移轴力曲线(图 3d)和竖向水平位移曲线(图 3e)均能够看出模拟结果有明显的弹性、拱效应和悬链线效应发展阶段,且与试验结果接近. 3.3 加载 因相关试验大多采用拟静力的方式进行加载,本文为
8、了有效验证有限元模型,亦采用静力方式进行加载.为了有效控制加载速度,采用位移控制的方式进行加载.为节约机时,本文采用 1m/s 的速度匀速加至 500mm,华而不实为保证加载开场结束阶段速度不会过大,采用余弦函数进行加载,并关闭混凝土应变率开关.通过观察比照能量平衡结果,发现其动能均极小,能够忽略. 3.4 结果比拟 3.4.1 毁坏特征比拟 FRP 加固后的框架子构造有限元模型分别有如此图 4 所示的三种毁坏形态.毁坏经过依次为为:A、C点混凝土开裂;C 点(CLZ1、GLZ1)或 A 处(CLZ2、GLZ2)FRP 发生剥离和断裂毁坏;B、D 点混凝土开裂;A、C 点钢筋到达受拉极限被拉断
9、.GLZ3 和 CLZ3 的 FRP 根据先 C 点再 A 点的顺序失效.值得注意是,B 和 D 处 FRP 在悬链线阶段仍然发挥了拉杆效应.环形箍和 U 形箍能够阻止 FRP 的迅速剥离. 3.4.2 数据比照分析 通过观察图(5a)所示位移荷载曲线能够发现,各试件随着位移增加均呈现出明显的弹性变形、拱效应、拉压转化和悬链线效应阶段.中柱位移在 20mm 以内为弹性阶段,各曲线差异不同极小,讲明此时 FRP 发挥的作用均有限;而到了拱效应阶段,A、C 处 FRP 由于发生脆性断裂,没有起到明显拉杆效果,CLZ3 和 GLZ3在拱效应阶段承载力有了一定的提升,可能是由于上下部均粘贴的方式能够在
10、一定程度上延缓 FRP 断裂,有助于发挥构造拱效应;中柱位移在 200mm 左右,构造进入悬链线阶段后,所有加固方案的承载力均有一定程度的提升,以 CL3、GLZ2 和 GLZ3 效果最为明显,到达了 115KN 荷载设计要求,结合毁坏特征揣测,FRP 在这里阶段分担了一部分拉轴力,中柱位移到了 300mm 左右后,C 点、A 点钢筋相继发生断裂,构造也逐步丧失了承载能力.可将 C 点钢筋断裂作为构造悬链线阶段的结束,构造到达了倒塌极限承载力,则各加固方案的极限承载力分别提升了约 10%(CLZ1、CLZ2、GLZ1)、15%(GLZ2)、23%(CLZ3)、33%(GLZ3). 通过比拟各方
11、案钢筋断裂时位移点位置能够发现,GLZ3、CLZ3 的中柱位移更大,讲明其构造延性更好,能够经受住更大的挠度变形. 各方案输出的构造总能量与中柱位移(图 5b)可知,在弹性阶段,各试件耗能并没有明显区别;到了200mm 左右(构造进入了悬链线效应阶段),所有加固方案的耗能均有明显提升,至钢筋断裂,CLZ2 增加较小, CLZ1 与 GLZ1 较 LZ1 大约增加了 6%左右,其他三种加固方案大约增加了 20%左右,讲明 FRP 在构件发生大变形时分担了部分的耗能任务. 4 结论 本文运用显式有限元软件 LS-DYNA 对不同 FRP 加固方案下的钢筋混凝土框架构造进行了模拟分析,直观地重现和模
12、拟钢筋混凝土构造发生大变形时的倒塌毁坏经过.通过比照较不同毁坏阶段 FRP 发挥的作用,能够得到如下几点结论: 1、合理粘贴 FRP 能够明显提高构件的延性,尤其在大位移情况下,通过在梁上下部均粘贴 FRP 的方式(CLZ3、GLZ3)能够充分发挥框架梁的悬链线效应,提高构造延性和耗能能力,且延展性较好的 GFRP(GLZ2)粘于框架梁上部作用较粘于下部(GLZ1)加强效果更明显; 2、方案 CLZ3、GLZ2、GLZ3 均符合 DoD2020 抗连续倒塌规范设计荷载,讲明通过选择合理的粘贴材料和组合形式能够在一定程度上提高钢筋混凝土构造的抗连续倒塌性能; 3、分析毁坏形态能够发如今截断处采用
13、 U 形箍或环形箍锚固能够有效阻止 FRP 剥离的蔓延,更好发挥其抗拉性能. 以下为参考文献: 1 GB 50010-2018 混凝土构造设计规范S.北京: 中国建筑工业出版社, 2018. 2 Al-Khaiat H, Fereig S, Al-Duaij J, et al. Impact of shelling on RC frames with and without infill wallsJ. Journal ofperformance of constructed facilities, 1999, 13(1): 22-28. 3 Mlakar P E, Dusenberry D,
14、 Harris J, et al. The Pentagon building performance report. American Society of Civil EngineersJ.Structural Engineering Institute Publication, 2002. 4 Unified Facilities Criteria(UFC).Design of Buildings To Resist Progressive Collapse(UFC4-023-03) S. WashingtonDC,USA:U.S.Army Corps of Engineers,2020
15、 5 叶列平, 冯鹏. FRP 在工程构造中的应用与发展J. 土木工程学报,2006(39): 24-36 6 敬登虎, 杨佑发. 纤维材质加固钢筋混凝土受弯构件延性的实验分析J, 重庆大学建筑大学学报, 2002, 22(5): 58-61 7 孟一. 冲击荷载作用下钢筋混凝土梁的试验及数值模拟研究D. 湖南大学, 2020. 8 Nam J W,Kim H J, Kim S B,et al. Analytical study of finite element models for FRP retrofitted concrete structure under blastloadsJ. International Journal of Damage Mechanics, 2018, 18(5): 461-490. 9 白金泽. LS-DYNA3D 理论基础与分析实例分析M. 北京:科学出版社,2005,1-1110 易伟建, 何庆锋, 肖岩. 钢筋混凝土框架构造抗倒塌性能的试验研究. 建筑构造学报J. 2007(28): 104-109.