FRP加固鋼筋混凝土梁柱框架結構抗連續倒塌性能的研究,建筑結構論文重要建筑物如(如軍事指揮所、辦公大樓、大型商場)極易成為戰爭攻擊和恐懼襲擊的目的,由于這些建筑物一旦被摧毀,不但能夠造成大量人員(十分是重要人物)的傷亡,而且會迅速引起廣大民眾恐慌,瓦解軍心民心.如2003年美伊戰爭便是從美國空襲薩達姆當局領導層所在的總統府開場的;而9-11事件在造成宏大的人員傷亡和財產損失的同時,也使其民眾人心惶惶.另一方面,通過對海灣戰爭中敘利亞有無填充墻的建筑受導彈攻擊后倒塌規模的比照[2]和五角大樓遭到襲擊后長時間保持穩定[3]可知,具有一定構造冗余度的建筑物能夠有效地阻止倒塌蔓延,降低構造毀壞范圍.連續倒塌作為一種極端的倒塌形式,是指構造在局部構件遭到偶爾荷載(如戰爭攻擊、恐懼襲擊、汽車沖擊等)發生倒塌后造成內力重分布,致使相鄰構件接連失效,最終發生大面積、整體性的倒塌.

隨著攻擊制導武器的日趨精到準確和恐懼主義蔓延,我們國家很多重要建筑物的構造冗余度亟待加強,以提升其抗連續倒塌能力.FRP(FiberReinforcedPloymer)是一類應用普遍的新型高強材料,本文運用有限元分析的方式方法對采用不同FRP粘貼方案后鋼筋混凝土梁柱框架構造抗連續倒塌性能進行比照,探尋最優方案.

2研究綜述

鋼筋混凝土抗連續倒塌相關研究主要包括分析連續倒塌工程事故、通過構造倒塌經過試驗總結力的轉換機制、探尋連續倒塌機理和提出設計方式方法等方向.英國、歐盟、美國、加拿大等均有自個比擬完善的抗連續倒塌規范.抗連續倒塌設計不同于一般構造設計的地方在于其對構造構件的延性提出了更高層次的要求,且容許構造有一定比例的毀壞和一定范圍的變形.比方DoD2020[4]對于鋼筋混凝土框架構造,為考慮動力效應,在拆除構件法中,當采用非線性靜力分析和變形控制時,應采用下面的荷載組合:

華而不實為荷載放大系數,D和L分別為恒載和活載.

FRP常用于構造構件的抗彎、抗剪和抗壓加固,抗連續連續倒塌加固的目的是為了提升構件的耗能能力和延性,需綜合考慮上述加固形式.CFRP(CabonFiberReinforcedPloymer,碳纖維布)與GFRP(GlassFiberReinforcedPloymer,玻璃纖維布)是兩種常用且發展成熟的FRP加固材料,其比重僅有鋼筋1/4到1/3,拉伸強度卻是鋼筋的10倍左右[5].但其延伸率很小,如T300的CFRP僅有1.71%的延伸率,且沒有明顯的委屈服從強度,易發生脆性斷裂.相對而言GFRP較CFRP的彈性模量要小、延伸率要大,故變形能力較CFRP要好.敬登虎[6]通過試驗發現GFRP加固后構件的延性幾乎是CFRP的2.5倍.當前文獻中對CFRP和GFRP加固鋼筋混凝土構造抗連續倒塌比照的相關研究較少見.

LS-DYNA能夠模擬構造的大位移大變形等非線性情況.孟一[7]對LS-DYNA常用的混凝土材料模型進行了總結比照,發現新增的CSCM模型合適應用在構造倒塌分析領域,并校正了相關材料參數.Jin-WonNam[8]等人比照四種不同的FRP布有限元模型,發現正交異性線彈性模型更合適運用在其對混凝土構造加固的模擬上.

3算例

3.1試件設計

本文設計了一棟五層鋼筋混凝土框架構造(如此圖1所示),并沿底層縱向取出兩跨一層的梁柱框架子構造,假設華而不實間柱已經失效.梁柱縱筋均采用HRB400,箍筋采用HPB300,并根據規范規定[1]

進行加密,混凝土采用C30,保衛層厚度為25mm.此算例旨在為后期現場試驗提供理論支持.

為了探究FRP對提高其抗連續倒塌性能效果最佳加固形式,本文綜合考量其經濟性和加固效果,通過在梁底、梁頂及改變加固長度組合了各種加固方案進行嘗試,選擇典型方案列于表1.

3.2建模

本文在ANSYS建立了不同加固方案的1/2對稱有限元模型(圖2)后,在LS-DYNA中進行相關計算.

華而不實混凝土、鋼筋和FRP的采用的單元類型分別為SOLID164、BEAM161和SHELL163,材料本構分別為蓋帽模型(*MAT_CSCM)、隨動塑性強化模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)、正交異性線彈性彈性模型(*MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC).十分的,為了防止施加荷載時出現應力集中,在中間柱頭上方設置一塊加載墊塊,使用SOLID164單元類型和剛體材料本構(*MAT_RIGID),構造與地面(剛體)連接[9].

為證實有限元模型的準確性,本文對湖南大學易偉健等人的平面框架連續倒塌試驗(圖3a、圖3c)[10]

進行模擬,建立了如此圖3b所示的有限元模型,再現了構造的倒塌經過,通過中柱位移軸力曲線(圖3d)和豎向水平位移曲線(圖3e)均能夠看出模擬結果有明顯的彈性、拱效應和懸鏈線效應發展階段,且與試驗結果接近.

3.3加載

因相關試驗大多采用擬靜力的方式進行加載,本文為了有效驗證有限元模型,亦采用靜力方式進行加載.為了有效控制加載速度,采用位移控制的方式進行加載.為節約機時,本文采用1m/s的速度勻速加至500mm,華而不實為保證加載開場結束階段速度不會過大,采用余弦函數進行加載,并關閉混凝土應變率開關.通過觀察比照能量平衡結果,發現其動能均極小,能夠忽略.

3.4結果比擬

3.4.1毀壞特征比擬

FRP加固后的框架子構造有限元模型分別有如此圖4所示的三種毀壞形態.毀壞經過依次為為:A、C點混凝土開裂;C點(CLZ1、GLZ1)或A處(CLZ2、GLZ2)FRP發生剝離和斷裂毀壞;B、D點混凝土開裂;A、C點鋼筋到達受拉極限被拉斷.GLZ3和CLZ3的FRP根據先C點再A點的順序失效.值得注意是,B和D處FRP在懸鏈線階段仍然發揮了拉桿效應.環形箍和U形箍能夠阻止FRP的迅速剝離.

3.4.2數據比照分析

通過觀察圖(5a)所示位移荷載曲線能夠發現,各試件隨著位移增加均呈現出明顯的彈性變形、拱效應、拉壓轉化和懸鏈線效應階段.中柱位移在20mm以內為彈性階段,各曲線差異不同極小,講明此時FRP發揮的作用均有限;而到了拱效應階段,A、C處FRP由于發生脆性斷裂,沒有起到明顯拉桿效果,CLZ3和GLZ3在拱效應階段承載力有了一定的提升,可能是由于上下部均粘貼的方式能夠在一定程度上延緩FRP斷裂,有助于發揮構造拱效應;中柱位移在200mm左右,構造進入懸鏈線階段后,所有加固方案的承載力均有一定程度的提升,以CL3、GLZ2和GLZ3效果最為明顯,到達了115KN荷載設計要求,結合毀壞特征揣測,FRP在這里階段分擔了一部分拉軸力,中柱位移到了300mm左右后,C點、A點鋼筋相繼發生斷裂,構造也逐步喪失了承載能力.可將C點鋼筋斷裂作為構造懸鏈線階段的結束,構造到達了倒塌極限承載力,則各加固方案的極限承載力分別提升了約10%(CLZ1、CLZ2、GLZ1)、15%(GLZ2)、23%(CLZ3)、33%(GLZ3).

通過比擬各方案鋼筋斷裂時位移點位置能夠發現,GLZ3、CLZ3的中柱位移更大,講明其構造延性更好,能夠經受住更大的撓度變形.

各方案輸出的構造總能量與中柱位移(圖5b)可知,在彈性階段,各試件耗能并沒有明顯區別;到了200mm左右(構造進入了懸鏈線效應階段),所有加固方案的耗能均有明顯提升,至鋼筋斷裂,CLZ2增加較小,CLZ1與GLZ1較LZ1大約增加了6%左右,其他三種加固方案大約增加了20%左右,講明FRP在構件發生大變形時分擔了部分的耗能任務.

4結論

本文運用顯式有限元軟件LS-DYNA對不同FRP加固方案下的鋼筋混凝土框架構造進行了模擬分析,直觀地重現和模擬鋼筋混凝土構造發生大變形時的倒塌毀壞經過.通過比照較不同毀壞階段FRP發揮的作用,能夠得到如下幾點結論:

1、合理粘貼FRP能夠明顯提高構件的延性,尤其在大位移情況下,通過在梁上下部均粘貼FRP的方式(CLZ3、GLZ3)能夠充分發揮框架梁的懸鏈線效應,提高構造延性和耗能能力,且延展性較好的GFRP(GLZ2)粘于框架梁上部作用較粘于下部(GLZ1)加強效果更明顯;

2、方案CLZ3、GLZ2、GLZ3均符合DoD2020抗連續倒塌規范設計荷載,講明通過選擇合理的粘貼材料和組合形式能夠在一定程度上提高鋼筋混凝土構造的抗連續倒塌性能;

3、分析毀壞形態能夠發如今截斷處采用U形箍或環形箍錨固能夠有效阻止FRP剝離的蔓延,更好發揮其抗拉性能.

以下為參考文獻:

[1]GB50010-2018混凝土構造設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2018.

[2]Al-KhaiatH,FereigS,Al-DuaijJ,etal.ImpactofshellingonRCframeswithandwithoutinfillwalls[J].Journalofperformanceofconstructedfacilities,1999,13(1):22-28.

[3]MlakarPE,DusenberryD,HarrisJ,etal.ThePentagonbuildingperformancereport.AmericanSocietyofCivilEngineers[J].StructuralEngineeringInstitutePublication,2002.

[4]UnifiedFacilitiesCriteria(UFC).DesignofBuildingsToResistProgressiveCollapse(UFC4-023-03)[S].WashingtonDC,USA:U.S.ArmyCorpsofEngineers,2020

[5]葉列平,馮鵬.FRP在工程構造中的應用與發展[J].土木工程學報,2006(39):24-36

[6]敬登虎,楊佑發.纖維材質加固鋼筋混凝土受彎構件延性的實驗分析[J],重慶大學建筑大學學報,2002,22(5):58-61

[7]孟一.沖擊荷載作用下鋼筋混凝土梁的試驗及數值模擬研究[D].湖南大學,2020.

[8]NamJW,KimHJ,KimSB,etal.AnalyticalstudyoffiniteelementmodelsforFRPr