afrp加固鋼筋混凝土梁柱節點抗震性能有限元分析

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1、武漢大學本科畢業論文AFRP 加固鋼筋混凝土梁柱節點抗震性能有限元分析院(系)名 稱:土木建筑工程學院專 業 名 稱 :工程力學學 生 姓 名 : 指 導 教 師 : 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 要近年來地震災害頻繁發生,其引發的慘痛后果讓人們陸續開始關注建筑結構的抗震問題,節點破壞成為框架倒塌的土要原因之一。最近人們發現了一種能用于抗震加固的新型材料 AFRP(芳綸纖維布),其較高的抗拉強度和易于彎折施工等優點使其擁有良好的前景。本文綜合運用 ANSYS 以及 ABAQUS 對 AFRP 布加固梁柱節點力學性能進行有限元分析。運用擬靜力法模擬了在地震荷載作用下的 AFRP 加固梁柱節點的力學分析,并與未作加固處理的梁柱節點的力學性能進行比較分析。本文共設置了12 組鋼筋混凝土梁

3、柱節點的加固試件,將有限元分析得到的承載力、水平位移、剛度系數等數據對比。結果表明 AFRP 加固梁柱節點能夠增加梁柱結構的承載力和剛度,改善梁柱節點的抗震性能。關鍵詞:AFRP;節點;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目錄鄭 重 聲 明.V摘 要.VIABSTRACT.VII第一章:緒論.11.1節點概述.112 加固方法概述.11.3研究目的及內容.21.3.1研究目的.21.3.2研究內容.3第二章:有限元介紹與基本理論.42.1有限元介紹.42.1.1有限元法的基本過程.42.1.2ANSYS 與 ABAQUS 介紹.62.2擬靜力法.72.3混凝土、鋼筋和 AFRP 布的本構關系.82.3.1混

8、凝土的本構關系.82.3.2鋼筋的本構關系.92.3.3纖維布的本構關系.102.4強度理論.10第三章: AFRP 加固鋼筋混凝土梁柱節點的有限元分析.123.1 試件模型概況.123.1.1試件模型設計與加載裝置.123.1.2加固方案.143.2有限元建模過程.153.3有限元分析結果.19第四章: 有限元結果分析.244.1粘貼方式及粘貼層數對加固的影響.24VIII4.2材料的不同對加固的影響244.3核心區箍筋不足時對 AFRP 布加固節點的影響254.4軸壓比對 AFRP 布加固節點的影響254.5 小結26第五章: 總結與展望275.1 總結275.2 未來展望28致謝29參考

9、文獻:30IX第一章:緒論1.1 節點概述鋼筋混凝士節點作為框架結構中一個重要組成部分,是聯系整個結構各部分的紐帶,起到連接梁柱構件、傳遞和分配內力、保證結構整體性的作用。震害與研究表明,框架結構在水平與豎向荷載作用下,節點往往由于要承受從梁端和柱端傳遞而來的軸力、彎矩、扭矩和剪力,在它們的共同作用下成為結構抗震的薄弱環節。因此,節點需要有足夠高的強度,來抵抗周圍構件承受的各種荷載,以此保證整個結構的堅固穩定和安全可靠。當框架節點由于設計、施工不當,或是使用功能、使用環境發生改變,或是對結構抗震要求提高等原因造成承載力不足,延性、剛度不夠或是抗震性能不足時,需對其進行加固補強1。在框架結構中節

10、點尺寸較小但構造相對復雜,并分布著較高的作用力,引起節點發生局部非線性損傷,增加了加固處理的難度。直交梁與樓板的存在使加固材料難以按照預想的方案進行布置,梁柱端部凹角處存在較強的拉力和剪力作用,需要用特殊的錨固方法進行處理,柱與梁的塑性鉸引起的梁筋屈服滲透會降低節點的耗能性能與剛度等,這些問題都限制了一些傳統加固方法的實施,因此需要探討一些新的加固方法,或對傳統方法進行一些改良完善,使其適用于鋼筋混凝土梁柱節點的加固2。12 加固方法概述自20世紀80年代,我國加固技術發展迅速,加固材料從傳統發展到現在,加固對象已經擴展到建設工程的各類結構。在建設工程施工中,對鋼筋混凝土結構加固的方法主要有:

11、加大截面加固法,噴射混凝土加固法,粘鋼加固法,外1包鋼加固法,增設支點加固法,增設構件加固法,預應力加固法及本文應用的加固方法粘貼纖維復合材料加固法3。纖維增強材料(Fibre Reinforced Polymer/Plastic,FRP)加固法,即 FRP 加固法,它是近年來新興起的混凝土工程加固技術。纖維復合材料是把高性能纖維織物,如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維鋪貼在環氧樹脂等基材上,經膠合凝固后形成的一種復合材料。因此,比起傳統的加固方法,在施工方法、構造處理、縮短施工周期等方面具有明顯的優勢,從而使這項加固技術無論是研究工作還是工程中的實際應用都有了長足進步,成為國內外土木工程加固研究的

12、熱點3。由于 FRP 具有強度高、質量輕、耐久性好、耐腐蝕性能好、易于施工、適用范圍廣等突出性能,與傳統的加固方法相比,纖維增強復合材料加固修復鋼筋混凝土結構施工質量易于保證,施工便捷,加固修補后不增加原結構自重,構件尺寸基本不受影響3?;诖?FRP 布加固法已經成為國內外學者研究的熱點,并隨著技術水平的提高已經廣泛應用于多種類型構件的加固。梁柱節點部位受損加固時,施工比較麻煩,從經濟、施工便利等方面綜合考慮,采用纖維布加固梁柱節點是性價比較高的一種加固方法。1.3 研究目的及內容1.3.1 研究目的由于新興材料芳綸纖維擁有很好的力學性能,在抗震工程加固也著優越的發展前景,故對該材料的試驗研

13、究也頗有意義,對于 AFRP 材料現今的研究大多是以試驗為主,從之得到的結論并不完全具有科學性,所以有必要從理論的角度出發去對比從試驗中得到的數據結果,故在此以有限元分析的方式去解決這個問題。本文旨在以尋找有目標性的實驗為基礎,以 ABAQUS 軟件為主以 ANSYS軟件為輔用有限元模型去分析加固后鋼筋混凝土梁柱節點的性能,應用擬靜力法施加動荷載進行后處理的相關有限元分析。21.3.2 研究內容本文的主要研究內容是:(1)建立 4 組橫向分析模型,即 AFRP 布自身加固混凝土柱的不同黏貼方式及不同黏貼層數的有限元分析模型,并對這些分析模型在抗震性能進行對比;(2)建立 5 組縱向分析模型,即

14、未加固、AFRP 布加固、CFRP 布加固、GFRP布加固和粘鋼加固,并對這些分析模型在混凝土抗震分析中的性能對比;(3)建立核心區箍筋不足的情況下,AFRP 布加固與未加固的模型,對這些模型在抗震性能進行對比;(4)建立 4 組不同豎向荷載的有限元分析模型,對這些分析模型在鋼筋混凝土抗震分析中的性能進行對比。運用擬靜力法的有限元施力方式對構件進行低周水平往復荷載的施加,并通過第一強度理論的最大主應力和第四強度理論 Mises 準則的等效應力來判定混凝土或者鋼筋是否進入屈服階段,并在此時得到最大的側向承載力值即為該模型的線彈性階段的最大承載力值,然后通過縱向比較分析各種材料的性能。并通過對軟件

15、計算的結果進行對比,來討論芳綸布是否對鋼筋混凝土梁柱節點有良好的抗震效果,探討可行性并分析原因,為今后的 AFRP 材料在結構抗震加固工程中的應用提供可靠并有用的信息。3第二章:有限元介紹與基本理論2.1 有限元介紹近年來,伴隨計算機產業的空前崛起和有限元基礎理論的成熟和完善,有限單元法在各研究領域擁有了巨大的市場,也成為成長最快的一種數值計算方法。有限元軟件的作用,在于它架設起了有限元方法與工程問題數值計算之間的橋梁。有限元軟件的使用者不僅需要熟悉程序的分析功能、掌握基本的軟件操作,而且應當具備必要的理論基礎和行業背景知識,能夠清楚基本的參數設置和軟件分析的過程(包括單元選擇、網格劃分、加載

16、求解等)。2.1.1 有限元法的基本過程有限元法的分析過程可以分為以下五個步驟:(1)單元離散。結構離散化是指將所建立的結構模型離散成有限個單元體,并在單元體的指定點設置若干節點,構成有限元網格,即將原來的連續體離散為在節點處相連接的有限單元集合體,來替代原來的結構4。結構離散化時,劃分單元的數目和尺寸應該按照計算的精度和計算機的容量等因素來判斷4。(2)選擇位移插值函數。為了能用節點未知量表示單元體的位移、應變和應力等,在分析連續體問題時,必須對單元中位移的分布作必要的假定,即假設位移是坐標的某種插值函數(或位移模式),通??衫枚囗検郊僭O位移場5。選擇恰當的插值函數是有限元單元的關鍵,應當

17、注意以下幾個方面:多項式項數應等于單元的自由度數。多項式階次應包含常數項和線性項。單元自由度應等于單元節點獨立位移的個數。位移矩陣為:4 f N e(2-1)式中: f 為單元內任意一點的位移;N 為單元節點的位移; e為插值函數。(3)利用幾何方程表示用節點未知量表示的單元應變: B e(2-2)式中: 為單元應變,B 為單元應變矩陣。再由物理方程求出用節點未知量表示的單元應力: DB e(2-3)式中:D 為單元材料有關的彈性矩陣。最后由相關變分原理可推導出節點力與節點未知量的等式(即有限元格式):Feke e(2-4)式中:ke 是單元剛度矩陣。keBT D Bdxdydz(2-5)(4

18、)整體分析。即建立整體剛度矩陣和整體結構的平衡方程。先將各個單元的,建立整體結構的平衡方程。同時將各單元的集成總的。K ke(2-6)由總剛矩陣形成整個結構的平衡方程:5K F (2-7)(5)邊界條件的引入,解方程。求解出節點的未知量,代入物理方程計算單元應力。有限元分析程序的步驟如圖 2-1。結構離散化,生成有限元網格計算單元剛度矩陣形成總剛矩陣形成節點載荷向量引入約束條件解方程組輸出節點位移計算并輸出單元應力圖 2-1 有限元程序圖2.1.2 ANSYS 與 ABAQUS 介紹由于計算機硬件和數值仿真的快速發展,使當代人類能夠坐而縱覽古今,研究科學與虛擬工程問題。非線性力學問題是力學發展

19、的前沿課題,繼而非線性有限元分析也成為了計算力學的重要組成部分,而有限元計算軟件在現代工程科學發展也成了滄海明燈,將科學研究提升到了另一個高度。ABAQUS 軟件具有強大健全的計算功能和非常廣泛的模擬性能,擁有大量不同種類的單元模型、材料模型和分析過程等。不管是分析線彈性問題還是分析6包括幾種不同材料、承受復雜的機械和熱荷載過程,以及變化的接觸條件的非線性組合問題;無論是分析靜力問題還是準靜力問題;還是分析穩態問題,還是動態問題;無論是隱式求解,還是顯性求解,應用 ABAQUS 軟件計算分析都可以得到令人滿意的結果。ABAQUS 分析軟件采用 CAD 方式的可視化窗口,使操作簡單便捷。6ANS

20、YSYS 也是現今比較常用的有限元分析軟件,其應用很廣泛,可以應用到結構、熱、流體、電磁場、耦合場等問題中。ANSYS 軟件擁有及其強大的建模功能,大大提高了實際模型到理論模型的轉換效率。并且其約束和荷載的施加很方便,并可以非常直觀地觀察到模型在受力時的變形。7在本課題中綜合運用了 ANSYS 和 ABAQUS 兩種分析軟件,利用 ANSYS 軟件建立幾何模型,然后將其 IGES 輸出文件導入到 ABAQUS 軟件中去進行下一步的力學分析。2.2 擬靜力法擬靜力法是現今應用最為廣泛的方法,其又稱為等效荷載法,因為其成本相對較低的成本和顯著的技術優勢,因能將動力學問題簡化為靜力學問題而使其應用得

21、到了廣泛發展,因為其實通過荷載和位移作為控制變量對試件進行低周反復荷載的施加,來獲得結構的非線性特性。本文即采用此方法來進行試驗及有限元分析,通過在施加低周往復荷載,來得到承載力、位移等數據來研究芳綸纖維材料的加固性能,由于這種方法的加載速率不高,所以由其產生的各種力學變化率產生的試驗影響很小,提高了試驗可靠性。但是該方法能在有限程度上反映荷載的動力特性,但不能反映各種材料自身的動力特性以及結構物之間的動力響應,更不能反映結構物之間的動力耦合關系。8然而,擬靜力法仍具備很多吸引人的優點,其清晰的物理概念,與全面考慮構件之間相互作用的分析計算方式相比,化繁為簡,大大減少了工作量并有益于確定參數,

22、可方便工程師積累經驗來施工。但是,應該嚴格限定擬靜力法的使用范圍:它不能用于地震時土體剛度有明顯降低或者產生液化的場合,而且7只適用于設計加速度較小、動力相互作用不甚突出的結構抗震設計。8之所以強調是低荷載,是為了消除應變率對試驗的影響,同時還有很重要的原因是由于其移除了應變速率的影響,可以對不同研究學者在不同試驗中的數據進行分析比對。通過學者研究表明,通過位移變量來施加荷載可有有效的控制加載速率,盡管這樣是很耗時的,但是取為加載提供了統一的準靜力反映的下限值。在國內研究中,加載制度大致可以分為:應力-變位移混合控制加載、位移控制加載。2.3 混凝土、鋼筋和 AFRP 布的本構關系2.3.1

23、混凝土的本構關系混凝土結構設計原理9中提到:常見的的描述混凝土應力-應變本構關系曲線的數學模型有E.Hongnestad建議的模型和Rusch建議的模型,在本文中,采取 Rusch 模型,如圖 2-2,該模型形式比較簡單,上升階段采用二次拋物線,下降段則采用水平直線。圖 2-2 Rusch 建議的應力-應變曲線當時, f2()2 c000當 0cu時,fc式中,取00.0002;cu0.0035。8注:為方便后期分析,本文中對 Rusch 模型進行了一點改動,將前半段應力與應變關系視為線性變化。2.3.2 鋼筋的本構關系混凝土結構設計原理9中提到:鋼筋單調加載的應力-應變本構關系曲線有以下三種

24、:(1)描述完全彈塑性的雙直線模型;(2)描述完全彈塑性加硬化的三折線模型;(3)描述彈塑性的雙斜線模型。在本文中本構關系選擇的是第一種,完全彈塑性的雙直線模型,這種模型適用于流幅比較長的低強度鋼材。模型將鋼筋的應力-應變曲線簡化為圖 2-3 所示的兩段直線,不計屈服強度的上限和由于應變硬化而增加的應力。圖中 OB 段為完全彈性階段,B 點為屈服下限,相應的應力和應變為 f y 和 y ,OB 段的斜率即為彈性模量Es 。BC 為完全塑性階段,C 點為應力強化的起點,對應的應變為s, h ,過 C 點后,即認為鋼筋變形過大不能正常使用。雙直線模型的數學表達式如下:當 sy時, s Es s時(

25、Esf y)y當 y s s, h時s f y9圖 2-32.3.3 纖維布的本構關系纖維材料為各向異性材料。纖維平面外沒有抗彎抗剪強度,順著纖維方向只有極限強度。實驗中表明,測得纖維布材料的本構關系接近理想的彈性,所以本文將其視為線性材料。由于本文所用到的纖維布抗拉強度是鋼筋的 5 倍左右,且本文現階段主要做的是對結構進行線彈性分析,故纖維布的屈服可以不做考慮。2.4 強度理論為了建立空間應力狀態下材料的強度條件,就需要尋找材料的破壞規律,而強度理論就是關于材料破壞或者失效的假設,在文中為了判斷構件線性變化10的結束點,即構件屈服的判斷需要引入一個判斷準則。強度理論分為四個,即第一強度理論(

26、最大拉應力理論)、第二強度理論(最大伸長線應變理論)、第三強度理論(最大切應力理論)、第四強度理論(形狀改變能密度理論),本文選擇第一強度理論作為混凝土屈服的參考,第四強度理論作為鋼筋屈服的參考。10第一強度理論即最大拉應力理論,其以脆性斷裂為標志,認為不論出于什么樣的應力狀態下,只要構建內有一點的最大主應力達到材料的極限應力,材料久會發生斷裂,按照這一理論,對應 ABAQUS 中的 S,Max.Principal,脆性斷裂依據為:1u而在本文中研究的線性問題將混凝土的屈服極限作為材料的破壞極限,若構件內有一點達到屈服應力則認為該構件達到了極限承載力。10第四強度理論假設:形狀改變能密度是引起

27、材料屈服的因素,即無論應力狀態如何分布,只要材料內任何一點的形狀改變能密度達到了極限值則認為該點進入塑性區,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 為構件危險點處的三個主應力。10根據第四強度理論Mises準則的等效應力強度對應ABAQUS有限元軟件中的S,Mises,而判斷屈服的準則為:r11第三章: AFRP 加固鋼筋混凝土梁柱節點的有限元分析3.1 試件模型概況3.1.1 試件模型設計與加載裝置本試件原始模型與加載裝置取自王作虎等人做的AFRP加固混凝土梁柱節點抗震性能試驗研究11。本文

28、共設計了 12 組試件模型:其中 4 組為橫向分析模型,即 AFRP 布自身加固混凝土柱的不同黏貼方式及不同黏貼層數的分析模型;其中 5 組為縱向分析對比模型,即未加固、AFRP 布加固、CFRP 布加固、GFRP 布加固和粘鋼加固的分析模型;另外 2 組為核心區箍筋不足的情況下 AFRP 布加固與未加固的分析模型;最后 4 組為在不同豎向荷載情況下的對比分析模型。其中有部分試件會參與多組對比分析。表 3-1 為構件所采用材料的力學性能,圖 3-1 為本文所使用的試驗模型尺寸和配筋。12表 3-1 材料的力學性能彈性模泊松密度抗拉強 抗壓強屈服強厚度材料量/MPa比/kgm-3度/MPa度/M

29、Pa度/MPA/mm鋼142070000.37850409409344_筋62070000.37850501501459_混凝土315000.225002.2035_AFRP1180000.214402060_0.2CFRP3100000.2217804000_0.2GFRP760000.218002000_0.2Q235B 鋼板2350000.378504354352356.0圖 3-1 模型的配筋圖試驗加載方案采用有側移柱端加載,試驗加載裝置如圖 3-2 所示。試驗中試件豎向荷載由液壓千斤頂一次施加,并在試驗中保持恒定。柱的設計軸壓比為0.6,豎向軸力為 840kN。柱端的水平反復荷載由推

30、拉干斤頂施加,每級荷載循環132 次。試驗加載過程采用荷載-位移混合控制,即構件開裂前采用荷載進行控制,開裂之后用位移控制。本文現階段只研究鋼筋混凝土梁柱節點線彈性階段的力學性能,不涉及到混凝土開裂時的情況,故將水平荷載簡化為力的幅值從 1 到10,每個周期逐級遞增。圖 3-2 試驗的加載裝置圖3.1.2 加固方案節點核心區域采用 2 種不同的加固方式,其實就是粘貼的地方不同,具體的加固方案如圖 3-3 所示。后期對比分析還會用到分析模型的另一種加固方法粘鋼加固法,如圖 3-4 所示.加固方式 A加固方式 B圖 3-3節點加固方式14圖 3-4粘鋼加固法3.2 有限元建模過程本文采用 ANSY

31、S 建模,ANSYS 建模功能十分強大,可根據實體試件的尺寸,需建模的對象有混凝土、鋼筋和 AFRP 布。建模過程中鋼筋及 AFRP 的構造復雜,故應用復制線和面語句進行簡化。這一步主要建立部件幾何模型,相當于建立各部件幾何關系。ANSYS 不僅有強大的建模能力還具有強大的力學分析能力,但是其語句操作復雜,且不能修改參數后重復運行,需要重新開始,這就會花費很多時間。故本文選擇操作更為直觀的 ABAQUS 來進行后續操作。其實也可以用 ABAQUS 軟件完成此步驟,但由于此模型結構較復雜,內部鋼筋較多,所以采用 ANSYS 軟件,更方便通過幾何關系建立模型。每個部件都輸出為 IGES 輸出文件,

32、將其復制到 ABAQUS 的工作目錄下。打開 ABAQUS 軟件,在文件-導入-部件中選擇上一步輸出的 IGES 文件。創建材料和截面屬性。其中,混凝土選擇實體-均質,鋼筋選擇梁-Constant,AFRP 以及之后會用到的 CFRP、GFRP 和鋼片等加固材料選擇殼-15均質。給各個部件賦予截面屬性,其中鋼筋另外需要創建剖面屬性及指派梁方向。根據需要選擇部分部件將他們裝配到模型里面,如圖 3-5、3-6 所示為構件的模型以及鋼筋分布圖。圖 3-5 構件的模型圖圖 3-6構件的鋼筋分布圖設置分析步。由于本文涉及到動力分析,所以需要設置兩個分析步,第一個選擇頻率,設置特征值求解器為子空間,請求的

33、特征值個數為 30;第二個選擇模態動力學,設置時間長的和時間增量,以及選擇其他選項中的“整個分析步內采用線性坡度”。16創建相互作用。將混凝土部件與混凝土部件之間、混凝土部件與鋼筋部件之間以及混凝土部件與AFRP部件之間選擇創建約束綁定,并設置其中的選項。創建荷載和邊界條件。在模態動力學分析步中創建試驗中施加的豎向荷載和水平往復荷載,其中水平往復荷載需要通過創建表格設置幅值表格。其中時間長度為 4s,時間周期為 0.4s,時間增量為 0.001s。力的幅值從 1 到 10,每個周期逐級遞增,力的幅值與時間示意圖如下圖 3-7。圖 3-7 力的幅值與時間變化示意圖劃分網格。分別對各個部件設置全局

34、種子尺寸,在網格屬性中選擇單元形狀為六面體,為各個部件劃分網格,構件模型劃分網格以后如圖 3-8 所示。圖 2-8 構件模型的網格劃分圖17創建作業并提交,在結果-可視化-在變形圖上繪制云圖,查看變形圖上應力云圖、應變云圖和位移云圖。圖 3-9 應變圖圖 3-10 應力圖圖 3-11 位移圖18單獨顯示混凝土、鋼筋或者加固材料,分別查看它們的應力、應變及位移,再用第四強度理論 Mesis 準則的等效應力強度與各自的屈服強度進行比較,查看最先達到屈服階段時的荷載和位移情況,此時的荷載作為構件模型線彈性階段的最大承載力,并記下此時柱頂端的水平位移值。3.3 有限元分析結果分別對 12 組模擬試件進

35、行有限元分析計算,結果見下圖 3-123-23:圖 3-12 試件 YZ-1 的 S,Max.Principal 圖與頂端水平位移圖(P=35200N)圖 3-13 試件 YZ-2 的 S,Max.Principal 圖與頂端水平位移圖(P=36260N)19圖 3-14 試件 YZ-3 的 S,Max.Principal 圖與頂端水平位移圖(P=35940N)圖 3-15 試件 YZ-4 的 S,Max.Principal 圖與頂端水平位移圖(P=36320N)圖 3-16 試件 YZ-5 的 S,Max.Principal 圖與頂端水平位移圖(P=36900N)20圖 3-17 試件 YZ

36、-6 的 S,Max.Principal 圖與頂端水平位移圖(P=36030N)圖 3-18 試件 YZ-7 的 S,Max.Principal 圖與頂端水平位移圖(P=37600N)圖 3-19 試件 YZ-8 的 S,Max.Principal 圖與頂端水平位移圖(P=30790N)21圖 3-20試件 YZ-9 的 S,Max.Principal 圖與頂端水平位移圖(P=35650N)圖 3-21試件 YZ-10 的 S,Max.Principal 圖與頂端水平位移圖(P=36260N)圖 3-22試件 YZ-11 的 S,Max.Principal 圖與頂端水平位移圖(P=36260N

37、)圖 3-23試件 YZ-12 的 S,Max.Principal 圖與頂端水平位移圖(P=36260N)通過統計上圖中的數據,可以得到有限元分析結果如下表 3-2 所示:22表 3-2 試件的變化參數及其有限元分析結果模型節點配加固加固豎向荷承載水平位承載力提高系編號箍率/%材料方式載/MPa力/KN移/mm數/%YZ-11YZ-21YZ-31YZ-41YZ-51YZ-61YZ-71YZ-80.5YZ-90.5YZ-101YZ-111YZ-1212035.2010.98AFRPA2036.2610.763.012 層AFRPB2035.9410.782.102 層AFRPA2036.3210

38、.683.183 層CFRPA2036.9010.494.832 層GFRPA2036.0310.832.362 層鋼片粘鋼2037.6010.836.82 20 30.79 9.837 -12.53AFRPA2035.6510.961.282 層AFRPA3036.2610.763.012 層AFRPA1036.2610.763.012 層AFRPA036.2610.763.012 層23第四章: 有限元結果分析4.1 粘貼方式及粘貼層數對加固的影響參與對比的試件模型:YZ-1,YZ-2,YZ-3 及 YZ-4。通過試件模型 YZ-1、YZ-2 和 YZ-3 之間相互對比,可以看到,YZ-2

39、 的承載力系數較 YZ-1 及未加固的試件提高了 3.01%,而柱頂端的水平位移系數反而降低了 2.00%,說明試件在線彈性階段整體的剛度系數提高了,經計算得剛度系數提高了 5.12%,能一定程度上減少地震的作用效應,即提高了構件抗震性能。通過試件 YZ-2 與試件 YZ-3 的結果對比,可以知道,靠近節點的梁端也需要進行加固。通過 YZ-2 與 YZ-4 的結果對比,發現 AFRP 布的層數對試件的承載力系數影響不大,加固 3 層 AFRP 的試件 YZ-4 僅比加固兩層 AFRP 的試件 YZ-2 提高了0.17%,剛度系數較未加固時提高了 5.39%,也只比 YZ-2 高出了 0.27%

40、,故考慮經濟效應,加固兩層就可以了。綜上所述,AFRP 布加固時采用方式 A 粘貼兩層是較合適的,可以提高 5.12% 的剛度系數,能一定程度上提高結構的抗震性能。4.2 材料的不同對加固的影響參與對比的試件模型:YZ-1,YZ-2,YZ-5,YZ-6 及 YZ-7。這些模型分別是未加固、AFRP 布加固、CFRP 布加固、GFRP 布加固和粘鋼加固的試件。通過對比可以看出,加固效果顯著程度由高到低依次為粘鋼加固, CFRP 布加固,AFRP 布加固和 GFRP 布加固,但還需要考慮材料的性能,施工工藝及后期保養等多方面因素。對于粘鋼加固法,它除了需要放止腐蝕,需要經常維修保護,還存在構件自重

41、增加、節點不易處理、施工難度大等問題。而 FRP 加固后不需要過多考慮腐蝕老化等問題,比粘剛加固法方便很多。對于 FRP 材料,GFRP,CFRP 和 AFRP 的性能比較如下表 4-1 所示。24表 4-1GFRP,CFRP 和 AFRP 的性能比較12項目玻璃纖維(GFRP)高強碳纖維(CFRP)芳綸纖維(AFRP)抗拉強度很好很好很好抗壓強度好很好差彈性模量一般很好好長期性能一般很好好疲勞性能一般優好密度一般好優耐久性差很好好價格很好一般一般通過上表中對他們的性能比較可以看出 CFRP 最好,AFRP 次之??墒?CFRP性能有局限性,比如抗剪能力較低、較硬不容易彎折等問題存在,而 AF

42、RP 具有抗拉強度高、抗剪性能較好、抗動載性能好、抗疲勞性能好、柔軟易彎折等優點,使其在對梁柱節點這種要求材料彎曲粘貼的結構加固中具有著天然的優勢。4.3 核心區箍筋不足時對 AFRP 布加固節點的影響參與對比的試件模型:YZ-1,YZ-8 和 YZ-9。當核心區箍筋不足時,構件承載力降低了 12.53%,結構很容易破壞,抗震性能較差,所以需要加固。通過對比可以看出,對核心區箍筋不足的構件進行 AFRP 布加固后,能使其達到正常節點配箍率的承載力大小,甚至還有一點提升,能有效避免結構被破壞,抗震性能提高較明顯。4.4 軸壓比對 AFRP 布加固節點的影響25參與對比的試件模型:YZ-2,YZ-10,YZ-11 和 YZ-12。在之前的 AFRP 加固討論中只是對于 AFRP 自身加固因素的探討而并沒有對其在實際工程應用中進行探討,軸壓比這一概念的引入,使我們思考 AFRP 布加固是否在軸壓比改變時加固效果有所影響,即在豎向荷載增加或減少的情況下承載力又是如何變化的呢?這里我們先對軸壓比這一概念進行簡短的介紹,軸壓比公式為:uN /( A * fc )其中u 為軸壓比,在地震發生較頻繁的地區,u 一般取 0.9 左右, fc 為混凝土軸心抗壓強度設計值,N 為軸力設計值,A 為核心區截面面積。在不同地區不同結構有著對軸壓比的不同要求,在本文

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