張雪松 葉璐挺 顧 顏

0 引言

MATLAB是一種用于工程與科學(xué)計算的高級語言,它集數(shù)學(xué)運算、數(shù)據(jù)可視化、程序編制和仿真等功能于一體。數(shù)組(向量和矩陣)是MATLAB的基本數(shù)據(jù)單元,在計算中,數(shù)組無需進行算前維數(shù)定義,只要其滿足數(shù)學(xué)運算法即可;另外,MATLAB不但包含了豐富的數(shù)學(xué)函數(shù),同時還具有適合各專業(yè)的函數(shù)工具箱。這極大的方便了教學(xué)和科學(xué)研究。

MATLAB不但是一種優(yōu)秀的數(shù)值計算、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化工具,同時還集成了高效率的圖形用戶界面(GUI)開發(fā)環(huán)境——GUIDE。GUIDE不僅能夠方便地創(chuàng)建控件對象,編寫控件對象的回調(diào)函數(shù),而且還能方便地實現(xiàn)控件對象間的數(shù)據(jù)交流。

當建筑結(jié)構(gòu)由于材料強度降低、功能改變、設(shè)計失誤、施工不當、規(guī)范修訂等原因使結(jié)構(gòu)不能滿足功能要求時,為了不推倒重建,就必須對該建筑進行加固。碳纖維布(CFRP)在鋼筋混凝土構(gòu)件的加固中使用日益廣泛,目前存在兩種常用的CFRP抗震加固設(shè)計方法,一種是先出現(xiàn)的基于CECS 146∶2003碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 (以下簡稱“規(guī)程”)的設(shè)計方法,一種是后出現(xiàn)的基于GB 50367-2006混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范(以下簡稱“規(guī)范”)的設(shè)計方法。

本文根據(jù)規(guī)范和規(guī)程,應(yīng)用GUIDE編寫了鋼筋混凝土構(gòu)件CFRP抗震加固程序Antiˉseism ic。

1 Antiˉseismic程序

采用GUIDE,設(shè)計了如圖1所示的圖形用戶界面(GUI)。界面中包含了抗震加固設(shè)計時被加固柱原有箍筋的體積配箍率計算時的信息輸入、基于規(guī)程和規(guī)范的被加固柱因CFRP環(huán)向約束的體積配箍率增量計算時的信息輸入,具體如箍筋材性信息、CFRP材性信息、加固幾何信息等,同時界面中還包含加固設(shè)計時的數(shù)據(jù)檢查、計算分析和幫助等“Push Buttons”控件。

圖1中的各板塊包含了完成CFRP抗震加固計算的所需參數(shù)。“nˉ1(nˉ2),Aˉs1(Aˉs2),lˉ1(lˉ2),Aˉcor,s”分別指構(gòu)件截面的“鋼筋根數(shù)、單根鋼筋截面面積、鋼筋長度、混凝土核心面積、鋼筋間距”;“nˉcf(nˉf),wˉcf(bˉf),tˉcf(tˉf),sˉcf(sˉf),v(kˉc), b,h,fˉcf(fˉf),fˉyv(fˉyv0)”分別指CFRP的“粘貼層數(shù)、條帶寬度、單層CFRP厚度、凈間距(注:規(guī)范為“中心間距)、有效約束系數(shù)、柱截面寬度、柱截面高度、CFRP抗拉強度設(shè)計值(注:規(guī)程與規(guī)范使用不同的取值方法)、箍筋的抗拉強度設(shè)計值”。

通過分析規(guī)程和規(guī)范上柱的CFRP抗震加固計算的必要輸入信息和約束條件,程序Antiˉseismic的計算構(gòu)架如圖2所示。

在“輸入/修改”加固計算的基本信息時,程序Antiˉseism ic已經(jīng)包含了基本信息的檢查功能。

為了防止用戶忽略信息檢查對話框的提示,程序Antiˉseismic在加固計算前,還需進行基本信息的物理和幾何條件總檢查,包括材性信息合理性檢查,加固信息合理性檢查,幾何信息合理性檢查等。若通過了信息總檢查,程序就自動進入加固計算階段。

在抗震加固計算中,Antiˉseism ic除給出依GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(以下簡稱“混凝土規(guī)范”)計算所得的被加固柱原有箍筋的體積配箍率,同時也給出了分別依據(jù)規(guī)程和規(guī)范計算所得的因環(huán)向圍束算得的箍筋體積配箍率增量和總量,這方便工程師的校核。

2 算例

已知一矩形框架柱,二級抗震等級,其截面尺寸為:b=500mm, h=500mm,保護層厚度為hc=30mm,箍筋采用HRB235;按混凝土規(guī)范,箍筋體積配箍率 ρv≥0.60%。原設(shè)計時加密區(qū)箍筋配置為Φ8@100,復(fù)合箍,每個方向 4肢,體積配箍率ρv=0.91%＞0.60%,滿足要求;但由于施工失誤,加密區(qū)實配箍筋 Φ8@200, ρv=0.46%＜0.60%,不滿足設(shè)計要求,現(xiàn)擬對該框架柱進行CFRP抗震加固,使其折算箍筋體積配箍率滿足要求。

根據(jù)經(jīng)驗確定粘貼1層CFRP,CFRP寬度wcf(bf)=80 mm,凈距scf=100mm,中距sf=180mm,規(guī)程約束系數(shù)v=0.45,規(guī)范約束系數(shù)kc=0.66(CFRP的有關(guān)參數(shù):厚度tcf=0.110mm,依規(guī)程方法確定的強度設(shè)計值fcf=2 800N/mm2,依規(guī)范方法確定的強度設(shè)計值ff=2 300N/mm2;箍筋的強度設(shè)計值:fyv(fyv0)=210 N/mm2)。

將上述算例中已知和假設(shè)的加固基本信息輸入Antiˉseismic后,點擊“計算與分析”按鈕,程序即給出了與加固相關(guān)的計算值:

1)原有箍筋體積配箍率:0.004 6;

2)按規(guī)程計算的體積配箍率增量:0.002 3;

3)按規(guī)范計算的體積配箍率增量:0.002 8;

4)按規(guī)程計算的折算體積配箍率:0.006 9;

5)按規(guī)程計算的折算體積配箍率:0.007 4。

該框架柱經(jīng)上述抗震加固后,經(jīng)規(guī)程和規(guī)范核算,其箍筋的體積配箍率符合要求。

3 結(jié)語

本文介紹了MATLAB圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境(GUIDE)在設(shè)計基于規(guī)程和規(guī)范的鋼筋混凝土框架柱CFRP抗震加固程序Antiˉ seismic中的運用,同時給出Antiˉseismic程序設(shè)計構(gòu)架及其在滿足適用性方面的一些措施,最后通過實例對Antiˉseismic進行應(yīng)用介紹。

Antiˉseism ic不但可同時給出基于規(guī)程和規(guī)范的柱抗震加固計算結(jié)果,在一定程度上減輕柱抗震加固設(shè)計的工作強度,其設(shè)計構(gòu)架可以為擅長程式語言,同時對設(shè)計該類加固程序感興趣的結(jié)構(gòu)工程師提供一個參考。

[1] GB 50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[2] CECS 146∶2003,碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] GB 50367-2006,混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范[S].

[4] MATLAB App lication Program GUIDE Reference.Math Works Inc.June,2002.