afrp加固钢筋混凝土梁柱节点抗震性能有限元分析

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1、武汉大学本科毕业论文AFRP 加固钢筋混凝土梁柱节点抗震性能有限元分析院(系)名 称:土木建筑工程学院专 业 名 称 :工程力学学 生 姓 名 : 指 导 教 师 : 20XX年 X 月BACHELORS DEGREE THESISOF WUHAN UNIVERSITYSeismic performances Finite element analysis of AFRP reinforce steel reinforced concrete Beam-column jointsCollege:Wuhan UniversitySubject:Engineering MechanicsName:

2、 XXXXXXXXXXXXXXXXXXDirected by :XXXXXXXXXXXXXXXXXX V摘 要近年来地震灾害频繁发生,其引发的惨痛后果让人们陆续开始关注建筑结构的抗震问题,节点破坏成为框架倒塌的土要原因之一。最近人们发现了一种能用于抗震加固的新型材料 AFRP(芳纶纤维布),其较高的抗拉强度和易于弯折施工等优点使其拥有良好的前景。本文综合运用 ANSYS 以及 ABAQUS 对 AFRP 布加固梁柱节点力学性能进行有限元分析。运用拟静力法模拟了在地震荷载作用下的 AFRP 加固梁柱节点的力学分析,并与未作加固处理的梁柱节点的力学性能进行比较分析。本文共设置了12 组钢筋混凝土梁

3、柱节点的加固试件,将有限元分析得到的承载力、水平位移、刚度系数等数据对比。结果表明 AFRP 加固梁柱节点能够增加梁柱结构的承载力和刚度,改善梁柱节点的抗震性能。关键词:AFRP;节点;加固;抗震;有限元VIABSTRACTIn recent years,earthquakes occur frequently .It resulted in devastating consequences made people starting to focus on structural seismic.the destruction became one of the collapsed soil c

4、auses the framework.Recently found a new material which can be used for seismic strengthening of AFRP . Its high tensile strength and easy to bend construction advantages that it has good prospects.This paper uses ABAQUS and ANSYS finite element analysis software of AFRP reinforcement for reinforced

5、 concrete beam-column finite element analysis of the mechanical properties of the node.Simulates an axial pressure and level of AFRP reinforcement for reinforced concrete beam-column joints under cyclic loading stress response and compare with non-mechanical behavior of beam-column joints reinforced

6、.This set a total of 12 sets of strengthening of reinforced concrete beam-column joint specimens, the finite element analysis of bearing capacity and displacement, stiffness coefficient data.Shown AFRP reinforcement beam can increase capacity and stiffness of post and beam construction, improvement

7、of seismic performance of beam-column joints.Keyword: AFRP;node;reinforce;anti-seismic;Finite elementVII目录郑 重 声 明.V摘 要.VIABSTRACT.VII第一章:绪论.11.1节点概述.112 加固方法概述.11.3研究目的及内容.21.3.1研究目的.21.3.2研究内容.3第二章:有限元介绍与基本理论.42.1有限元介绍.42.1.1有限元法的基本过程.42.1.2ANSYS 与 ABAQUS 介绍.62.2拟静力法.72.3混凝土、钢筋和 AFRP 布的本构关系.82.3.1混

8、凝土的本构关系.82.3.2钢筋的本构关系.92.3.3纤维布的本构关系.102.4强度理论.10第三章: AFRP 加固钢筋混凝土梁柱节点的有限元分析.123.1 试件模型概况.123.1.1试件模型设计与加载装置.123.1.2加固方案.143.2有限元建模过程.153.3有限元分析结果.19第四章: 有限元结果分析.244.1粘贴方式及粘贴层数对加固的影响.24VIII4.2材料的不同对加固的影响244.3核心区箍筋不足时对 AFRP 布加固节点的影响254.4轴压比对 AFRP 布加固节点的影响254.5 小结26第五章: 总结与展望275.1 总结275.2 未来展望28致谢29参考

9、文献:30IX第一章:绪论1.1 节点概述钢筋混凝士节点作为框架结构中一个重要组成部分,是联系整个结构各部分的纽带,起到连接梁柱构件、传递和分配内力、保证结构整体性的作用。震害与研究表明,框架结构在水平与竖向荷载作用下,节点往往由于要承受从梁端和柱端传递而来的轴力、弯矩、扭矩和剪力,在它们的共同作用下成为结构抗震的薄弱环节。因此,节点需要有足够高的强度,来抵抗周围构件承受的各种荷载,以此保证整个结构的坚固稳定和安全可靠。当框架节点由于设计、施工不当,或是使用功能、使用环境发生改变,或是对结构抗震要求提高等原因造成承载力不足,延性、刚度不够或是抗震性能不足时,需对其进行加固补强1。在框架结构中节

10、点尺寸较小但构造相对复杂,并分布着较高的作用力,引起节点发生局部非线性损伤,增加了加固处理的难度。直交梁与楼板的存在使加固材料难以按照预想的方案进行布置,梁柱端部凹角处存在较强的拉力和剪力作用,需要用特殊的锚固方法进行处理,柱与梁的塑性铰引起的梁筋屈服渗透会降低节点的耗能性能与刚度等,这些问题都限制了一些传统加固方法的实施,因此需要探讨一些新的加固方法,或对传统方法进行一些改良完善,使其适用于钢筋混凝土梁柱节点的加固2。12 加固方法概述自20世纪80年代,我国加固技术发展迅速,加固材料从传统发展到现在,加固对象已经扩展到建设工程的各类结构。在建设工程施工中,对钢筋混凝土结构加固的方法主要有:

11、加大截面加固法,喷射混凝土加固法,粘钢加固法,外1包钢加固法,增设支点加固法,增设构件加固法,预应力加固法及本文应用的加固方法粘贴纤维复合材料加固法3。纤维增强材料(Fibre Reinforced Polymer/Plastic,FRP)加固法,即 FRP 加固法,它是近年来新兴起的混凝土工程加固技术。纤维复合材料是把高性能纤维织物,如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维铺贴在环氧树脂等基材上,经胶合凝固后形成的一种复合材料。因此,比起传统的加固方法,在施工方法、构造处理、缩短施工周期等方面具有明显的优势,从而使这项加固技术无论是研究工作还是工程中的实际应用都有了长足进步,成为国内外土木工程加固研究的

12、热点3。由于 FRP 具有强度高、质量轻、耐久性好、耐腐蚀性能好、易于施工、适用范围广等突出性能,与传统的加固方法相比,纤维增强复合材料加固修复钢筋混凝土结构施工质量易于保证,施工便捷,加固修补后不增加原结构自重,构件尺寸基本不受影响3。基于此,FRP 布加固法已经成为国内外学者研究的热点,并随着技术水平的提高已经广泛应用于多种类型构件的加固。梁柱节点部位受损加固时,施工比较麻烦,从经济、施工便利等方面综合考虑,采用纤维布加固梁柱节点是性价比较高的一种加固方法。1.3 研究目的及内容1.3.1 研究目的由于新兴材料芳纶纤维拥有很好的力学性能,在抗震工程加固也着优越的发展前景,故对该材料的试验研

13、究也颇有意义,对于 AFRP 材料现今的研究大多是以试验为主,从之得到的结论并不完全具有科学性,所以有必要从理论的角度出发去对比从试验中得到的数据结果,故在此以有限元分析的方式去解决这个问题。本文旨在以寻找有目标性的实验为基础,以 ABAQUS 软件为主以 ANSYS软件为辅用有限元模型去分析加固后钢筋混凝土梁柱节点的性能,应用拟静力法施加动荷载进行后处理的相关有限元分析。21.3.2 研究内容本文的主要研究内容是:(1)建立 4 组横向分析模型,即 AFRP 布自身加固混凝土柱的不同黏贴方式及不同黏贴层数的有限元分析模型,并对这些分析模型在抗震性能进行对比;(2)建立 5 组纵向分析模型,即

14、未加固、AFRP 布加固、CFRP 布加固、GFRP布加固和粘钢加固,并对这些分析模型在混凝土抗震分析中的性能对比;(3)建立核心区箍筋不足的情况下,AFRP 布加固与未加固的模型,对这些模型在抗震性能进行对比;(4)建立 4 组不同竖向荷载的有限元分析模型,对这些分析模型在钢筋混凝土抗震分析中的性能进行对比。运用拟静力法的有限元施力方式对构件进行低周水平往复荷载的施加,并通过第一强度理论的最大主应力和第四强度理论 Mises 准则的等效应力来判定混凝土或者钢筋是否进入屈服阶段,并在此时得到最大的侧向承载力值即为该模型的线弹性阶段的最大承载力值,然后通过纵向比较分析各种材料的性能。并通过对软件

15、计算的结果进行对比,来讨论芳纶布是否对钢筋混凝土梁柱节点有良好的抗震效果,探讨可行性并分析原因,为今后的 AFRP 材料在结构抗震加固工程中的应用提供可靠并有用的信息。3第二章:有限元介绍与基本理论2.1 有限元介绍近年来,伴随计算机产业的空前崛起和有限元基础理论的成熟和完善,有限单元法在各研究领域拥有了巨大的市场,也成为成长最快的一种数值计算方法。有限元软件的作用,在于它架设起了有限元方法与工程问题数值计算之间的桥梁。有限元软件的使用者不仅需要熟悉程序的分析功能、掌握基本的软件操作,而且应当具备必要的理论基础和行业背景知识,能够清楚基本的参数设置和软件分析的过程(包括单元选择、网格划分、加载

16、求解等)。2.1.1 有限元法的基本过程有限元法的分析过程可以分为以下五个步骤:(1)单元离散。结构离散化是指将所建立的结构模型离散成有限个单元体,并在单元体的指定点设置若干节点,构成有限元网格,即将原来的连续体离散为在节点处相连接的有限单元集合体,来替代原来的结构4。结构离散化时,划分单元的数目和尺寸应该按照计算的精度和计算机的容量等因素来判断4。(2)选择位移插值函数。为了能用节点未知量表示单元体的位移、应变和应力等,在分析连续体问题时,必须对单元中位移的分布作必要的假定,即假设位移是坐标的某种插值函数(或位移模式),通常可利用多项式假设位移场5。选择恰当的插值函数是有限元单元的关键,应当

17、注意以下几个方面:多项式项数应等于单元的自由度数。多项式阶次应包含常数项和线性项。单元自由度应等于单元节点独立位移的个数。位移矩阵为:4 f N e(2-1)式中: f 为单元内任意一点的位移;N 为单元节点的位移; e为插值函数。(3)利用几何方程表示用节点未知量表示的单元应变: B e(2-2)式中: 为单元应变,B 为单元应变矩阵。再由物理方程求出用节点未知量表示的单元应力: DB e(2-3)式中:D 为单元材料有关的弹性矩阵。最后由相关变分原理可推导出节点力与节点未知量的等式(即有限元格式):Feke e(2-4)式中:ke 是单元刚度矩阵。keBT D Bdxdydz(2-5)(4

18、)整体分析。即建立整体刚度矩阵和整体结构的平衡方程。先将各个单元的,建立整体结构的平衡方程。同时将各单元的集成总的。K ke(2-6)由总刚矩阵形成整个结构的平衡方程:5K F (2-7)(5)边界条件的引入,解方程。求解出节点的未知量,代入物理方程计算单元应力。有限元分析程序的步骤如图 2-1。结构离散化,生成有限元网格计算单元刚度矩阵形成总刚矩阵形成节点载荷向量引入约束条件解方程组输出节点位移计算并输出单元应力图 2-1 有限元程序图2.1.2 ANSYS 与 ABAQUS 介绍由于计算机硬件和数值仿真的快速发展,使当代人类能够坐而纵览古今,研究科学与虚拟工程问题。非线性力学问题是力学发展

19、的前沿课题,继而非线性有限元分析也成为了计算力学的重要组成部分,而有限元计算软件在现代工程科学发展也成了沧海明灯,将科学研究提升到了另一个高度。ABAQUS 软件具有强大健全的计算功能和非常广泛的模拟性能,拥有大量不同种类的单元模型、材料模型和分析过程等。不管是分析线弹性问题还是分析6包括几种不同材料、承受复杂的机械和热荷载过程,以及变化的接触条件的非线性组合问题;无论是分析静力问题还是准静力问题;还是分析稳态问题,还是动态问题;无论是隐式求解,还是显性求解,应用 ABAQUS 软件计算分析都可以得到令人满意的结果。ABAQUS 分析软件采用 CAD 方式的可视化窗口,使操作简单便捷。6ANS

20、YSYS 也是现今比较常用的有限元分析软件,其应用很广泛,可以应用到结构、热、流体、电磁场、耦合场等问题中。ANSYS 软件拥有及其强大的建模功能,大大提高了实际模型到理论模型的转换效率。并且其约束和荷载的施加很方便,并可以非常直观地观察到模型在受力时的变形。7在本课题中综合运用了 ANSYS 和 ABAQUS 两种分析软件,利用 ANSYS 软件建立几何模型,然后将其 IGES 输出文件导入到 ABAQUS 软件中去进行下一步的力学分析。2.2 拟静力法拟静力法是现今应用最为广泛的方法,其又称为等效荷载法,因为其成本相对较低的成本和显着的技术优势,因能将动力学问题简化为静力学问题而使其应用得

21、到了广泛发展,因为其实通过荷载和位移作为控制变量对试件进行低周反复荷载的施加,来获得结构的非线性特性。本文即采用此方法来进行试验及有限元分析,通过在施加低周往复荷载,来得到承载力、位移等数据来研究芳纶纤维材料的加固性能,由于这种方法的加载速率不高,所以由其产生的各种力学变化率产生的试验影响很小,提高了试验可靠性。但是该方法能在有限程度上反映荷载的动力特性,但不能反映各种材料自身的动力特性以及结构物之间的动力响应,更不能反映结构物之间的动力耦合关系。8然而,拟静力法仍具备很多吸引人的优点,其清晰的物理概念,与全面考虑构件之间相互作用的分析计算方式相比,化繁为简,大大减少了工作量并有益于确定参数,

22、可方便工程师积累经验来施工。但是,应该严格限定拟静力法的使用范围:它不能用于地震时土体刚度有明显降低或者产生液化的场合,而且7只适用于设计加速度较小、动力相互作用不甚突出的结构抗震设计。8之所以强调是低荷载,是为了消除应变率对试验的影响,同时还有很重要的原因是由于其移除了应变速率的影响,可以对不同研究学者在不同试验中的数据进行分析比对。通过学者研究表明,通过位移变量来施加荷载可有有效的控制加载速率,尽管这样是很耗时的,但是取为加载提供了统一的准静力反映的下限值。在国内研究中,加载制度大致可以分为:应力-变位移混合控制加载、位移控制加载。2.3 混凝土、钢筋和 AFRP 布的本构关系2.3.1

23、混凝土的本构关系混凝土结构设计原理9中提到:常见的的描述混凝土应力-应变本构关系曲线的数学模型有E.Hongnestad建议的模型和Rusch建议的模型,在本文中,采取 Rusch 模型,如图 2-2,该模型形式比较简单,上升阶段采用二次抛物线,下降段则采用水平直线。图 2-2 Rusch 建议的应力-应变曲线当时, f2()2 c000当 0cu时,fc式中,取00.0002;cu0.0035。8注:为方便后期分析,本文中对 Rusch 模型进行了一点改动,将前半段应力与应变关系视为线性变化。2.3.2 钢筋的本构关系混凝土结构设计原理9中提到:钢筋单调加载的应力-应变本构关系曲线有以下三种

24、:(1)描述完全弹塑性的双直线模型;(2)描述完全弹塑性加硬化的三折线模型;(3)描述弹塑性的双斜线模型。在本文中本构关系选择的是第一种,完全弹塑性的双直线模型,这种模型适用于流幅比较长的低强度钢材。模型将钢筋的应力-应变曲线简化为图 2-3 所示的两段直线,不计屈服强度的上限和由于应变硬化而增加的应力。图中 OB 段为完全弹性阶段,B 点为屈服下限,相应的应力和应变为 f y 和 y ,OB 段的斜率即为弹性模量Es 。BC 为完全塑性阶段,C 点为应力强化的起点,对应的应变为s, h ,过 C 点后,即认为钢筋变形过大不能正常使用。双直线模型的数学表达式如下:当 sy时, s Es s时(

25、Esf y)y当 y s s, h时s f y9图 2-32.3.3 纤维布的本构关系纤维材料为各向异性材料。纤维平面外没有抗弯抗剪强度,顺着纤维方向只有极限强度。实验中表明,测得纤维布材料的本构关系接近理想的弹性,所以本文将其视为线性材料。由于本文所用到的纤维布抗拉强度是钢筋的 5 倍左右,且本文现阶段主要做的是对结构进行线弹性分析,故纤维布的屈服可以不做考虑。2.4 强度理论为了建立空间应力状态下材料的强度条件,就需要寻找材料的破坏规律,而强度理论就是关于材料破坏或者失效的假设,在文中为了判断构件线性变化10的结束点,即构件屈服的判断需要引入一个判断准则。强度理论分为四个,即第一强度理论(

26、最大拉应力理论)、第二强度理论(最大伸长线应变理论)、第三强度理论(最大切应力理论)、第四强度理论(形状改变能密度理论),本文选择第一强度理论作为混凝土屈服的参考,第四强度理论作为钢筋屈服的参考。10第一强度理论即最大拉应力理论,其以脆性断裂为标志,认为不论出于什么样的应力状态下,只要构建内有一点的最大主应力达到材料的极限应力,材料久会发生断裂,按照这一理论,对应 ABAQUS 中的 S,Max.Principal,脆性断裂依据为:1u而在本文中研究的线性问题将混凝土的屈服极限作为材料的破坏极限,若构件内有一点达到屈服应力则认为该构件达到了极限承载力。10第四强度理论假设:形状改变能密度是引起

27、材料屈服的因素,即无论应力状态如何分布,只要材料内任何一点的形状改变能密度达到了极限值则认为该点进入塑性区,在此有:vd1 v( 12 )2( 23 )2 ( 3 1)2 6E1 / 2( 12 )2( 23 )2( 31)2 其中 1,2 , 3 为构件危险点处的三个主应力。10根据第四强度理论Mises准则的等效应力强度对应ABAQUS有限元软件中的S,Mises,而判断屈服的准则为:r11第三章: AFRP 加固钢筋混凝土梁柱节点的有限元分析3.1 试件模型概况3.1.1 试件模型设计与加载装置本试件原始模型与加载装置取自王作虎等人做的AFRP加固混凝土梁柱节点抗震性能试验研究11。本文

28、共设计了 12 组试件模型:其中 4 组为横向分析模型,即 AFRP 布自身加固混凝土柱的不同黏贴方式及不同黏贴层数的分析模型;其中 5 组为纵向分析对比模型,即未加固、AFRP 布加固、CFRP 布加固、GFRP 布加固和粘钢加固的分析模型;另外 2 组为核心区箍筋不足的情况下 AFRP 布加固与未加固的分析模型;最后 4 组为在不同竖向荷载情况下的对比分析模型。其中有部分试件会参与多组对比分析。表 3-1 为构件所采用材料的力学性能,图 3-1 为本文所使用的试验模型尺寸和配筋。12表 3-1 材料的力学性能弹性模泊松密度抗拉强 抗压强屈服强厚度材料量/MPa比/kgm-3度/MPa度/M

29、Pa度/MPA/mm钢142070000.37850409409344_筋62070000.37850501501459_混凝土315000.225002.2035_AFRP1180000.214402060_0.2CFRP3100000.2217804000_0.2GFRP760000.218002000_0.2Q235B 钢板2350000.378504354352356.0图 3-1 模型的配筋图试验加载方案采用有侧移柱端加载,试验加载装置如图 3-2 所示。试验中试件竖向荷载由液压千斤顶一次施加,并在试验中保持恒定。柱的设计轴压比为0.6,竖向轴力为 840kN。柱端的水平反复荷载由推

30、拉干斤顶施加,每级荷载循环132 次。试验加载过程采用荷载-位移混合控制,即构件开裂前采用荷载进行控制,开裂之后用位移控制。本文现阶段只研究钢筋混凝土梁柱节点线弹性阶段的力学性能,不涉及到混凝土开裂时的情况,故将水平荷载简化为力的幅值从 1 到10,每个周期逐级递增。图 3-2 试验的加载装置图3.1.2 加固方案节点核心区域采用 2 种不同的加固方式,其实就是粘贴的地方不同,具体的加固方案如图 3-3 所示。后期对比分析还会用到分析模型的另一种加固方法粘钢加固法,如图 3-4 所示.加固方式 A加固方式 B图 3-3节点加固方式14图 3-4粘钢加固法3.2 有限元建模过程本文采用 ANSY

31、S 建模,ANSYS 建模功能十分强大,可根据实体试件的尺寸,需建模的对象有混凝土、钢筋和 AFRP 布。建模过程中钢筋及 AFRP 的构造复杂,故应用复制线和面语句进行简化。这一步主要建立部件几何模型,相当于建立各部件几何关系。ANSYS 不仅有强大的建模能力还具有强大的力学分析能力,但是其语句操作复杂,且不能修改参数后重复运行,需要重新开始,这就会花费很多时间。故本文选择操作更为直观的 ABAQUS 来进行后续操作。其实也可以用 ABAQUS 软件完成此步骤,但由于此模型结构较复杂,内部钢筋较多,所以采用 ANSYS 软件,更方便通过几何关系建立模型。每个部件都输出为 IGES 输出文件,

32、将其复制到 ABAQUS 的工作目录下。打开 ABAQUS 软件,在文件-导入-部件中选择上一步输出的 IGES 文件。创建材料和截面属性。其中,混凝土选择实体-均质,钢筋选择梁-Constant,AFRP 以及之后会用到的 CFRP、GFRP 和钢片等加固材料选择壳-15均质。给各个部件赋予截面属性,其中钢筋另外需要创建剖面属性及指派梁方向。根据需要选择部分部件将他们装配到模型里面,如图 3-5、3-6 所示为构件的模型以及钢筋分布图。图 3-5 构件的模型图图 3-6构件的钢筋分布图设置分析步。由于本文涉及到动力分析,所以需要设置两个分析步,第一个选择频率,设置特征值求解器为子空间,请求的

33、特征值个数为 30;第二个选择模态动力学,设置时间长的和时间增量,以及选择其他选项中的“整个分析步内采用线性坡度”。16创建相互作用。将混凝土部件与混凝土部件之间、混凝土部件与钢筋部件之间以及混凝土部件与AFRP部件之间选择创建约束绑定,并设置其中的选项。创建荷载和边界条件。在模态动力学分析步中创建试验中施加的竖向荷载和水平往复荷载,其中水平往复荷载需要通过创建表格设置幅值表格。其中时间长度为 4s,时间周期为 0.4s,时间增量为 0.001s。力的幅值从 1 到 10,每个周期逐级递增,力的幅值与时间示意图如下图 3-7。图 3-7 力的幅值与时间变化示意图划分网格。分别对各个部件设置全局

34、种子尺寸,在网格属性中选择单元形状为六面体,为各个部件划分网格,构件模型划分网格以后如图 3-8 所示。图 2-8 构件模型的网格划分图17创建作业并提交,在结果-可视化-在变形图上绘制云图,查看变形图上应力云图、应变云图和位移云图。图 3-9 应变图图 3-10 应力图图 3-11 位移图18单独显示混凝土、钢筋或者加固材料,分别查看它们的应力、应变及位移,再用第四强度理论 Mesis 准则的等效应力强度与各自的屈服强度进行比较,查看最先达到屈服阶段时的荷载和位移情况,此时的荷载作为构件模型线弹性阶段的最大承载力,并记下此时柱顶端的水平位移值。3.3 有限元分析结果分别对 12 组模拟试件进

35、行有限元分析计算,结果见下图 3-123-23:图 3-12 试件 YZ-1 的 S,Max.Principal 图与顶端水平位移图(P=35200N)图 3-13 试件 YZ-2 的 S,Max.Principal 图与顶端水平位移图(P=36260N)19图 3-14 试件 YZ-3 的 S,Max.Principal 图与顶端水平位移图(P=35940N)图 3-15 试件 YZ-4 的 S,Max.Principal 图与顶端水平位移图(P=36320N)图 3-16 试件 YZ-5 的 S,Max.Principal 图与顶端水平位移图(P=36900N)20图 3-17 试件 YZ

36、-6 的 S,Max.Principal 图与顶端水平位移图(P=36030N)图 3-18 试件 YZ-7 的 S,Max.Principal 图与顶端水平位移图(P=37600N)图 3-19 试件 YZ-8 的 S,Max.Principal 图与顶端水平位移图(P=30790N)21图 3-20试件 YZ-9 的 S,Max.Principal 图与顶端水平位移图(P=35650N)图 3-21试件 YZ-10 的 S,Max.Principal 图与顶端水平位移图(P=36260N)图 3-22试件 YZ-11 的 S,Max.Principal 图与顶端水平位移图(P=36260N

37、)图 3-23试件 YZ-12 的 S,Max.Principal 图与顶端水平位移图(P=36260N)通过统计上图中的数据,可以得到有限元分析结果如下表 3-2 所示:22表 3-2 试件的变化参数及其有限元分析结果模型节点配加固加固竖向荷承载水平位承载力提高系编号箍率/%材料方式载/MPa力/KN移/mm数/%YZ-11YZ-21YZ-31YZ-41YZ-51YZ-61YZ-71YZ-80.5YZ-90.5YZ-101YZ-111YZ-1212035.2010.98AFRPA2036.2610.763.012 层AFRPB2035.9410.782.102 层AFRPA2036.3210

38、.683.183 层CFRPA2036.9010.494.832 层GFRPA2036.0310.832.362 层钢片粘钢2037.6010.836.82 20 30.79 9.837 -12.53AFRPA2035.6510.961.282 层AFRPA3036.2610.763.012 层AFRPA1036.2610.763.012 层AFRPA036.2610.763.012 层23第四章: 有限元结果分析4.1 粘贴方式及粘贴层数对加固的影响参与对比的试件模型:YZ-1,YZ-2,YZ-3 及 YZ-4。通过试件模型 YZ-1、YZ-2 和 YZ-3 之间相互对比,可以看到,YZ-2

39、 的承载力系数较 YZ-1 及未加固的试件提高了 3.01%,而柱顶端的水平位移系数反而降低了 2.00%,说明试件在线弹性阶段整体的刚度系数提高了,经计算得刚度系数提高了 5.12%,能一定程度上减少地震的作用效应,即提高了构件抗震性能。通过试件 YZ-2 与试件 YZ-3 的结果对比,可以知道,靠近节点的梁端也需要进行加固。通过 YZ-2 与 YZ-4 的结果对比,发现 AFRP 布的层数对试件的承载力系数影响不大,加固 3 层 AFRP 的试件 YZ-4 仅比加固两层 AFRP 的试件 YZ-2 提高了0.17%,刚度系数较未加固时提高了 5.39%,也只比 YZ-2 高出了 0.27%

40、,故考虑经济效应,加固两层就可以了。综上所述,AFRP 布加固时采用方式 A 粘贴两层是较合适的,可以提高 5.12% 的刚度系数,能一定程度上提高结构的抗震性能。4.2 材料的不同对加固的影响参与对比的试件模型:YZ-1,YZ-2,YZ-5,YZ-6 及 YZ-7。这些模型分别是未加固、AFRP 布加固、CFRP 布加固、GFRP 布加固和粘钢加固的试件。通过对比可以看出,加固效果显著程度由高到低依次为粘钢加固, CFRP 布加固,AFRP 布加固和 GFRP 布加固,但还需要考虑材料的性能,施工工艺及后期保养等多方面因素。对于粘钢加固法,它除了需要放止腐蚀,需要经常维修保护,还存在构件自重

41、增加、节点不易处理、施工难度大等问题。而 FRP 加固后不需要过多考虑腐蚀老化等问题,比粘刚加固法方便很多。对于 FRP 材料,GFRP,CFRP 和 AFRP 的性能比较如下表 4-1 所示。24表 4-1GFRP,CFRP 和 AFRP 的性能比较12项目玻璃纤维(GFRP)高强碳纤维(CFRP)芳纶纤维(AFRP)抗拉强度很好很好很好抗压强度好很好差弹性模量一般很好好长期性能一般很好好疲劳性能一般优好密度一般好优耐久性差很好好价格很好一般一般通过上表中对他们的性能比较可以看出 CFRP 最好,AFRP 次之。可是 CFRP性能有局限性,比如抗剪能力较低、较硬不容易弯折等问题存在,而 AF

42、RP 具有抗拉强度高、抗剪性能较好、抗动载性能好、抗疲劳性能好、柔软易弯折等优点,使其在对梁柱节点这种要求材料弯曲粘贴的结构加固中具有着天然的优势。4.3 核心区箍筋不足时对 AFRP 布加固节点的影响参与对比的试件模型:YZ-1,YZ-8 和 YZ-9。当核心区箍筋不足时,构件承载力降低了 12.53%,结构很容易破坏,抗震性能较差,所以需要加固。通过对比可以看出,对核心区箍筋不足的构件进行 AFRP 布加固后,能使其达到正常节点配箍率的承载力大小,甚至还有一点提升,能有效避免结构被破坏,抗震性能提高较明显。4.4 轴压比对 AFRP 布加固节点的影响25参与对比的试件模型:YZ-2,YZ-10,YZ-11 和 YZ-12。在之前的 AFRP 加固讨论中只是对于 AFRP 自身加固因素的探讨而并没有对其在实际工程应用中进行探讨,轴压比这一概念的引入,使我们思考 AFRP 布加固是否在轴压比改变时加固效果有所影响,即在竖向荷载增加或减少的情况下承载力又是如何变化的呢?这里我们先对轴压比这一概念进行简短的介绍,轴压比公式为:uN /( A * fc )其中u 为轴压比,在地震发生较频繁的地区,u 一般取 0.9 左右, fc 为混凝土轴心抗压强度设计值,N 为轴力设计值,A 为核心区截面面积。在不同地区不同结构有着对轴压比的不同要求,在本文

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