碳纤维加固开洞砖墙试验分析

第41卷第6期2008年12月武汉大学学报(工学版)Eng ineer ing Jour nal of W uhan U niversity Vo l.41N o.6Dec.2008收稿日期:2008 05 17作者简介:张 维(1966 ),男,湖北黄陂人,博士,讲师,主要从事建筑结构安全鉴定与加固、施工管理研究.基金项目:湖北省自然科学基金项目(编号:2004A BA042);武汉市青年科技晨光计划项目(编号:20035002016 30).文章编号:1671 8844(2008)06 0075 04碳纤维加固开洞砖墙试验分析张 维(武汉大学土木建筑工程学院,湖北武汉 430072)摘要:对开洞口砖墙试件往复加载的试验结果进行了有限元分析,分别用混凝土单元和多层壳单元模拟砌体、粘结胶和碳纤维布.分析表明有限元模型能较好地揭示碳纤维加固墙体往复荷载作用下的力学性能,其中混凝土单元能较好地反映砌体应力分布、裂缝分布及材料压碎状况,多层壳单元能有效模拟碳纤维布及粘结胶的层理构造、交叉重叠,并能直观描绘各层材料的应力分布状况,对试验研究及工程实践均有重要意义.关键词:砖墙;碳纤维布加固;有限元分析;试验研究中图分类号:T U 362 文献标志码:AExperiment and analysis of CFRP strengthenedbrick walls with openingsZH ANG Wei(Scho ol o f Civil and A r chit ectur al Eng ineering ,W uhan U niver sity,Wuhan 430072,China)Abstract:Carbon fiber reinforced polym er (CFRP)is currently all simulated w ith membrane elements in finite element analyses o f CFRP streng thened str uctures ignoring adhesive thicknesses and layer con structions of CFRP and adhesive glue,w hich differs g reatly from the real construction and is improved substantially.The finite element analyses are done of the ex perimental o utco mes o f the br ick w all mem bers w ith openings under recipr ocating horizontal loads simulating masonry,adhesive and CFRP w ith concr ete and lam inate shell elem ents respectiv ely.T he analyses sho w that the finite element models can disclose w ell the mechanical perfo rmances of CFRP strengthened w alls under reciprocating ho rizontal loads;the concrete elements in the models can depict w ell maso nr y stresses,cracks and cr ushing;and the lam inate shell elements can effectiv ely sim ulate the lay er constructions,cr ossing and overlapping,and depict str aig htforw ardly stresses in each layer of adhesiv e and CFRP.T he analyses are sig nificant fo r both the ex perim ental researches and pr oject constructions.Key words:brick w alls;CFRP strengthening ;finite element analysis;ex perim ental research 许多砌体建筑需进行墙体加固维修,碳纤维布(CFRP)以其重量轻、厚度薄、高强度、耐腐蚀、易于施工等特性日益得到广泛应用.目前国内外这方面研究还很不完善,远不能满足工程实践需要[1].碳纤维布加固砌体结构的有限元分析目前处于起步和探索阶段,许多问题有待解决,但由于其经济、快捷、方便、适用面广、对试验具有较大的指导和帮助作用等决定了它具有广阔的前景,开展这方面的研究具有重大的理论和现实意义.本文结合试验成果对CFRP 加固砖墙有限元分析方法进行了有益探索,并首次将多层壳单元应用于碳纤维布加固砖墙,取得了一些创新性成果.武汉大学学报(工学版)第41卷1 试验研究加固试件见图1,碳纤维布双面粘贴,幅宽150 mm,厚0.111m m,墙体采用实心粘土砖和混合砂浆砌筑,顶梁及构造柱采用C20混凝土,一级钢.对比试件除了未粘贴碳纤维布外,其余与加固试件相同.1.1 加载制度本文按照 建筑抗震试验方法规程(JGJ101 96)[2]的加载方法对试件进行拟静力试验,加荷速图1 碳纤维布加固试件(单位:mm)度控制在30~60kN/s.墙体垂直荷载在试验前按0.6M Pa一次加足.试验开始时,首先施加40kN水平荷载,反复加卸载2次,以检查仪器运转情况.正式加载时,采用逐级加荷方法,开裂前按荷载控制,每级按20kN递增,开裂后按位移控制,每级增加1 c(墙片的开裂位移).达到极限荷载后,继续按位移控制,每级增加2 c,直至墙体丧失承载能力.1.2 试验结果由对比试件试验过程可以看出,带构造柱开门洞墙体容易在门洞角部及宽墙肢中部形成裂缝.破坏呈现出剪切破坏特征,尤其是宽墙肢部分最为明显.宽墙肢部分粘贴的!X∀形碳纤维布对墙体承载能力和变形能力的提高起到了明显的效果.加固后试件破坏形态仍然为剪切破坏.加固后墙体开裂推迟、承载力提高.开裂荷载提高了42.9%,极限荷载在正向加载时提高了25%,反向加载时提高了36.1%,说明碳纤维布加固对提高带构造柱开门洞墙体的承载能力是有效的.开裂时加固试件位移提高44.4%,比较明显.加固后墙体的滞回环包围的面积较大,表明碳纤维布加固后墙体的耗能能力明显增强,变形能力得到很大的提高,抗震性能得到很好的改善;一个循环的耗能系数可提高10%左右,墙片的耗能性能有很大的提高.综上所述,碳纤维加固后墙体的各项抗震性能指标均得到明显改善,尤其是延性与耗能能力提高显著,证明碳纤维布用于墙体的抗震加固有效.2 有限元分析目前有限元分析大多用膜单元模拟碳纤维布的加固作用,忽略碳纤维布与砌体间粘结胶的厚度及粘结胶的变形,与加固试件实际构造差异较大.本文首次将多层壳单元用于碳纤维布加固砖墙有限元分析.该单元既可模拟粘结胶和碳纤维布的层理构造,又可保留膜单元受拉不受压的布特性,因此比膜单元有明显优势.同时,通过设定不同的层数、截面各层不同局部坐标方向可较好地模拟碳纤维布重叠交叉问题.2.1 有限元模型为便于比较分析碳纤维布的加固效果,排除单元划分对有限元分析结果的影响,对比、加固试件均采用相同的体单元模型,加固试件碳纤维布面单元由其下的体单元映射划分,因此,对比、加固试件有限元模型均如图2所示.图2 有限元模型对比及加固试件所用砖抗压强度均值为f1=6.53M Pa,砂浆抗压强度均值为f2=1.922M Pa, 76第6期张 维:碳纤维加固开洞砖墙试验分析砌体抗压强度均值为f m=0.78#f0.51(1+0.07)= 2.26MPa,抗拉强度均值为f tm=0.141f0.52= 0.195M Pa[3].砌体轴心受压应力 应变图峰点应变为 0= 3.8#10-3,极限应变为 u= 1.6 0=6.1 #10-3,弹性模量E=351.9f1.5m=1196MPa[4,5].砌体采用多线性随动强化模型,其中=(1-e-460 f m)f m[5].顶梁混凝土弹性模量E c= 1.8#104M Pa,泊松比为0.2,峰点应力f cmk=18.5M Pa, 0= 0.002, cu=0.0033,f tk=1.75M Pa.混凝土轴心受压采用文献[6]本构模型.钢筋混凝土及砌体体单元均采用混凝土单元,该单元能较好反映材料开裂及压碎特性.钢筋弥散于混凝土中.考虑到加固设备对试件顶部的约束作用,对模型顶部节点予以耦合.碳纤维布和粘结胶采用多层壳单元模拟,该单元能较好模拟碳纤维布和粘结胶加固后的层理构造,建模时仍赋予碳纤维布正交线弹性材料属性,该属性能较好反映碳纤维布纤维丝单向受力正交异性的材料特点.因各向同性弹性材料属性忽略了粘结胶的抗拉强度,有限元分析时可能会出现其应力超出其抗拉强度现象,因此,粘结胶采用双线性随动强化模型.试验中未发现粘结胶受拉破坏,双线性随动强化模型类似于混凝土结构设计规范基本假定中钢筋的双折线模型,既保证粘结胶应力不超过其抗拉强度,又保证粘结胶不发生受拉破坏,与试验一致.碳纤维布为正交异性材料,沿纤维丝方向弹性模量E x=3#105M Pa,另外两个方向弹性模量为0,输入足够小的量1,即取E y=E z= 1M Pa,同样取剪切模量G xy=G yz=G zx=1M Pa,泊松比取为0,极限抗拉强度为3515M Pa;粘结胶极限抗拉强度为33.51M Pa.粘结胶弹性模量为6000MPa,泊松比为0.25[7].一般多层壳单元分两层,底层为粘结胶,顶层为碳纤维布,但在两条碳纤维布交叉处则应有4层材料,有2种方法可以解决这一问题.一种是在该位置同一组关键点上再建新面,即两面共线共点,在这两个面上分别设2个两层壳单元,采用不同的局部坐标系规定2个单元碳纤维丝不同的方向.另一方法是直接在Ansys前处理器的截面菜单设置4层壳单元,用局部坐标系规定下层碳纤维布碳纤维丝方向,在此基础上将上层碳纤维布碳纤维丝方向旋转所需的角度.后一种方法更便捷,本文即采用此方法.当斜向和竖向碳纤维布重叠时,斜向碳纤维布置于下层;当竖向和水平碳纤维布重叠时,水平布置于下层.砌体、砖、砂浆及钢筋混凝土多轴应力状态下的失效判据为F/f c-s∃0,其中F为主应力函数, s为破坏面,f c为单轴抗压强度.如果满足上述判据,材料将开裂或压碎.2.2 有限元计算结果及分析对比、加固有限元模型破坏时位移分别为3.45、3.78mm,最终收敛荷载分别为166、188.1kN.对比、加固试件破坏时位移分别为8.4、16mm,破坏荷载分别为196、250kN,和有限元分析结果有一定差异.除试验设备和试验操作人为因素外,有限元分析采用静载而试验为拟静载.Ansys没有专门适合于砌体的单元,因此用混凝土单元模拟砌体.有限元模型不能模拟砌体开裂后剪切滑移变形,该变形占总变形的比例较大,因而模型的变形能力明显低于实际试件.由于诸如施工质量等诸多因素影响,加之砌体是一种复合材料,离散性较大.许多学者提出了不同的砌体材料本构关系模型,而这方面的研究还有待进一步深入[5].以上这些因素都会引起试验和有限元分析间的差异.如图3所示,荷载较小时,4条曲线基本重合;荷载为60~155kN时,对比试件有限元模型切线刚度低于试验值,为155~166kN时,二者基本相等;位移为0.35~ 1.2mm时,加固试件有限元模型切线刚度低于试验值,为1.2~ 3.78mm 时,二者基本相等.由于不能模拟剪切滑移,有限元模型曲线没有比较平缓的下降段,有限元分析和试图3 位移 荷载曲线验结果都表明,碳纤维加固能明显提高墙体承载力和极限变形能力.由于弯矩的影响,加固前后构造柱最大主拉应77力均位于左下部,且明显大于砌体,对试件力学性能的改善作用明显.碳纤维对砌体应力起到扩散作用,因此加固后砌体应力分布更趋均匀,应力集中减少,从而改善其受力性能.加固后试件混凝土外框应力增大,其作用得到更充分发挥.对比试件门洞左上角主拉应力较大,证明沿门洞周边加固的必要性.图4为加固试件主拉应力云图.墙体裂缝大多倾斜,表现出一定的受剪特征.加固砌体开裂单元和压碎单元数均多于对比试件,说明加固后砌体受力更均匀,相同荷载作用下裂缝更细密,砌体材料强度得到更充分利用.由于钢筋混凝土各种力学性能指标均优于砌体,因此,试件破坏时虽然钢筋混凝土外框应力较大且局部开裂,但仍能保持一定的整体性,对砌体仍有一定的嵌固作用,对提高墙体的承载力、极限变形及抗震性能具有显著效果.图5为加固试件开裂及压碎图.图4 加固试件主拉应力(单位:M Pa)图5 加固试件开裂及压碎图加固试件粘结胶和碳纤维布最大主拉应力分别位于门洞右侧和十字交叉点附近,表明沿门洞周边和右墙肢粘贴碳纤维布都能起到一定的加固效果,其中十字交叉碳纤维布加固作用更大.因为粘结胶是各向同性材料而碳纤维布正交异性,门洞右侧节点最大应变方向与该处碳纤维丝方向不同,即该处最大应变方向不沿竖直方向,所以,虽然该处节点应变最大,粘结胶应力最大,且粘结胶和碳纤维布单元共结点,但此处碳纤维布应力不是最大,因此粘结胶和碳纤维布最大应力不在同一位置处.图6为碳纤维布主拉应力图.图6 CFRP 主拉应力(单位:M Pa)碳纤维布抗拉强度为3515M Pa,但由于砌体强度较低,因此碳纤维布强度远未得到充分利用,有限元分析发现其最大主拉应力仅694M Pa.粘结胶抗拉强度为33.51M Pa,得到较为充分的利用,其最大有限元计算主拉应力为27.9M Pa.3 结 论1)试验表明碳纤维加固能大幅提高墙体的承载能力、变形能力及抗震性能.2)有限元分析同样证明了碳纤维加固对提高墙体的承载能力和变形能力的有效性.3)多层壳单元能较好模拟碳纤维布及粘结胶的层理构造以及碳纤维布的交叉重叠.4)有限元分析表明钢筋混凝土外框能显著改善墙体的力学性能.5)有限元分析能指导加固方案的制定和加固材料的选取,从而提高试验的有效性和经济性.6)用混凝土单元模拟砌体墙及钢筋混凝土梁、柱能较直观地反映各单元裂缝分布及压碎情况.通过首次将多层壳单元用于碳纤维布加固砌体结构的有限元分析,发现多层壳单元和混凝土单元能较好模拟碳纤维布加固墙体试件的实际构造、揭示实际试件的力学性能、得出有价值的科研成果,对试验方案的拟定、试验材料的选取、试验计划的实施和试验成果的分析都有着重大的指导意义.(下转第82页)4 讨 论弧长法的收敛性和其各种参数的取值有很大关系,应根据不同的问题来调整取值.求解一般来说当要准确跟踪极值点(如屈曲荷载)时,宜选用位移控制的弧长公式,即式(2)中!取小于1的值或0,因为在极值点附近,荷载增长很慢而位移增长快.另外,同柱面弧长法相比:1)切面弧长法在计算后继迭代步的荷载增量因子时,省去了因求解一元二次方程需要对根进行判断和舍弃的麻烦,提高了求解效率且简化了编程;2)切面弧长法采用切面代替柱面的做法,使增量步中同样的起始弧长有更大的!跨度∀,更容易越过平衡路径的极值点.为了获得较好的计算效果,通过对迭代过程中增量步内刚度的变化来调整弧长(在近似线性阶段加大弧长,在非线性较强阶段减小弧长),使增量步的分布比较合理,提高了求解效率.参考文献:[1] 罗永峰,滕锦光,沈祖炎,等.确定结构分支点及跟踪平衡路径的改进弧长法[J].同济大学学报,1997,25(5):502 507.[2] 朱菊芬,初晓婷.一种改进的弧长法及在结构后屈曲分析中的应用[J].应用数学和力学,2002,23(9):961 967.[3] 王勖成,邵 敏.有限元基本原理和数值方法[M].第2版.北京:清华大学出版社,1997:514 515.[4] Berg an P G,H o rr igmo e G,K rakeland B,Sor eide TH.So lutio n techniques for nonlinear finite elementpro blems[J].Internatio nal Jo ur na l of N umer ical M etho ds in Eng ineering,1978,12(11):1677 1696. 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