劉曉東 翁維素 郭宏禮 杜建婷 郭隆乾

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

隨建筑行業(yè)的發(fā)展，砌體結(jié)構(gòu)整體性差、受震易破壞等缺陷逐步凸顯，針對砌體結(jié)構(gòu)加固的研究也越發(fā)迫切.現(xiàn)有傳統(tǒng)加固方式不易操作、效果不好.相比之下，玻璃纖維復(fù)合材料憑借高抗拉強(qiáng)度、高彈性模量、良好傳遞荷載的粘結(jié)性等特點(diǎn)，使得噴射玻璃復(fù)合纖維材料加固砌體結(jié)構(gòu)稱為近幾年的研究熱點(diǎn)[1].

對于噴射GFRP加固砌體結(jié)構(gòu)的主要研究近年來有：林磊[2]等人用玻璃纖維聚合物對3個(gè)未加固砌體墻片試件進(jìn)行了加固試驗(yàn)研究，對比了兩種貼布方式的不同加固效果，得出不同的加固方式對結(jié)構(gòu)的延性提高程度不同，從而保證墻體整體性.劉驥夫[3]研究了噴射GFRP聚合物對試件受彎承載能力和變形的影響、以及磚砌體與GFRP聚合物粘接界面上剪切粘接應(yīng)力的分布和局部粘接應(yīng)力一滑移關(guān)系，提出了粘接應(yīng)力一滑移關(guān)系的理論模型.夏云霞[4]通過分析了唐山和汶川地震砌體結(jié)中窗間墻的破壞形態(tài)，闡述了窗間墻在地震作用下如何傳力以及破壞的條件.Ehsanin等人[5]使用GFRP聚合物加固砌體墻抗剪實(shí)驗(yàn)，研究沿水平灰縫和豎向灰縫墻體的抗彎和抗剪性能.研究結(jié)果表明，當(dāng)玻璃纖維面積較小時(shí)，墻體因拉應(yīng)力太大而遭到破壞，隨加固纖維面積逐漸加大，墻體逐漸轉(zhuǎn)變由于壓應(yīng)力過大導(dǎo)致壓壞.隨后Halln等人[6]使用鋼材和玻璃纖維二者混合加固形式.研究結(jié)果表明，當(dāng)玻璃纖維達(dá)到破壞時(shí)，鋼材連接件沒有屈服，因此有效的改善結(jié)構(gòu)抗震性能.

目前主要采用試驗(yàn)的方式對噴射GFRP加固砌體結(jié)構(gòu)展開研究，圍繞有限元模擬噴射GFRP加固砌體結(jié)構(gòu)模型的研究較少.砌體結(jié)構(gòu)在受力過程中，砌體結(jié)構(gòu)的破壞形式受塊體和砂漿的影響，導(dǎo)致破壞現(xiàn)象多樣性，容易在較少的試件試驗(yàn)中不能得出準(zhǔn)確的破壞規(guī)律，以及在過多試件的試驗(yàn)中導(dǎo)致浪費(fèi).為了利用有限元更好地預(yù)測噴射GFRP加固砌體結(jié)構(gòu)的效果，本文采用分離式建模方式，提出一種不考慮塊體與砂漿滑移作用的模型，并通過與實(shí)際工程對比，驗(yàn)證模型的正確性.為后續(xù)研究提供理論依據(jù).

1 有限元分析

1.1 模型創(chuàng)建

本文所用墻體的材料：塊體采用實(shí)心磚MU10，250mmx240mmx126mm，砂漿強(qiáng)度M5的普通砂漿，密度1200kg/m3.本實(shí)驗(yàn)共做三片砌體墻試件，砌體墻在有限元ABAQUS中采用模型為1750mmx240mmx1250mm.由于本次模擬的是砌體結(jié)構(gòu)的底層墻體，所用底部梁假定固結(jié)，頂梁采用鋼筋混凝土材料；GFRP聚合物采用殼單元，其尺寸大小和墻的相同.墻體和梁都采用實(shí)體單元，鋼筋骨架采用桁架單元，頂部縱筋直徑18mm，底部縱筋直徑20mm,箍筋直徑6mm.W-1、SW-2、SW-3、SW-4分別表示未加固、水平噴射、斜向X噴射、雙面整噴墻體.

圖1 鋼筋骨架模型 圖2 砌塊墻有限元模型 圖3 裝配模型

1.2 模塊屬性

在ABAQUS/Standared模塊，在單調(diào)荷載或者循環(huán)荷載作用下，考慮了混凝土材料在受力過程中塑性損傷效應(yīng)，通過多相塑性硬化和各項(xiàng)同性彈性本構(gòu)來體現(xiàn)材料在斷裂時(shí)不可逆拉壓損傷行為.

其受拉和受壓應(yīng)力—應(yīng)變[7]如下公式：由于本次主要研究噴射GFRP加固砌體黏土磚墻的破壞，其無論是單調(diào)荷載作用下還是重復(fù)荷載，其本構(gòu)關(guān)系都采用單軸狀態(tài)下的本構(gòu)模型.

混凝土單軸受拉本構(gòu)見公式(1)和(2)：

σt=(1-dt)Ecε

(1)

(2)

混凝土單軸受壓的應(yīng)力—應(yīng)變見公式(3)和(4)：

σc=(1-dc)Ecε

(3)

(4)

砌體的研究在國內(nèi)外研究理論越來越成熟，但在受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是依據(jù)混凝土的本構(gòu)基礎(chǔ)上修改而來的，砌體受壓本構(gòu)模型采用楊衛(wèi)忠提出的.砌體受壓本構(gòu)關(guān)系:

(5)

砌體受拉本構(gòu)關(guān)系:(修改的混凝土本構(gòu))

(6)

式中:h取1.633;fcm與ftm分別為砌體結(jié)構(gòu)軸心抗壓強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度的平均值;εcm和εtm軸心抗壓強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度平均值所對應(yīng)的峰值應(yīng)變.

其計(jì)算方法見公式(7)和(8)所示：

(7)

(8)

砌體與混凝土都采用ABAQUS定義的混凝土CDP模型，塑性損傷相關(guān)屬性見表1.

表1 混凝土和砌體粘性參數(shù)[8]

其中砌體的膨脹角取15°、30°和45°，由于本文所建模型高寬比小于1且主要研究抗震性能，因此膨脹角大小對模擬有影響，這里選15°.

本次模擬GFRP聚合物屬性參數(shù)如表2.

表2 GFRP相關(guān)屬性[9]

2 加固墻體的模擬結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力云圖破壞形式分析

圖4為對未加固墻體進(jìn)行模擬低周往復(fù)試驗(yàn)下得出的應(yīng)力云圖，可以看出墻體底部的中間位置應(yīng)力變化達(dá)到開裂標(biāo)準(zhǔn)，墻體產(chǎn)生裂縫，隨位移荷載增大，墻體在底部中間位置主拉應(yīng)力區(qū)域逐步擴(kuò)展.

圖4 W-1應(yīng)力云圖

圖5為模型SW-2各單元水平往復(fù)荷載下的主拉應(yīng)力云圖，可以看出在水平主拉應(yīng)力方向上墻體底部和頂部受拉，左側(cè)受壓；在豎直主拉應(yīng)力方向上墻體右下方和右及受拉，中部及左側(cè)受壓.玻璃纖維應(yīng)力在沿墻體方向上主拉應(yīng)力為零，在豎直方向上整個(gè)纖維受拉，主拉應(yīng)力在中間最大，兩端較小.

圖5 SW-2應(yīng)力云圖

圖6為模型SW-3各單元水平往復(fù)荷載下的主拉應(yīng)力云圖，由圖所示在水平主拉應(yīng)力方向上墻體左下角受拉，其他位置均受壓，在豎直方向上，左邊三分之二墻體受拉，所以加固墻體在左下角噴射玻璃纖維附件位置處最先開裂，其主應(yīng)力最大.玻璃纖維單元的應(yīng)力在底部兩角出現(xiàn)，玻璃纖維的束縛作用導(dǎo)致墻體主拉應(yīng)力沿著四角向中間部位擴(kuò)散且擴(kuò)散區(qū)域集中在角部.

圖6 SW-3應(yīng)力云圖

墻體和玻璃纖維單元上左下角無論在水平及豎直方向上主拉應(yīng)力最大，左下角未加固區(qū)先發(fā)生剪切破壞，且應(yīng)力沿著纖維長度方向逐漸減小.

圖7為模型SW-4各單元在水平荷載作用下的主拉應(yīng)力云圖，當(dāng)所施加的荷載達(dá)到墻體本身開裂荷載時(shí)，從圖a可以看出，墻體主拉應(yīng)力呈Y型分布，在豎直方向上，墻體右半二分之一受拉.由疊加原理得出，墻體最先出現(xiàn)裂縫的位置在墻體根部和右上角.

圖7 SW-4應(yīng)力云圖

由上可知，水平噴射起到加固方式從應(yīng)力角度分析加固效率差，有嚴(yán)重應(yīng)力集中現(xiàn)象；雙面整體噴射加固方式束縛作用強(qiáng)使其承載力提高，但不夠綠色環(huán)保；斜向噴射玻璃纖維能達(dá)到纖維和墻體同時(shí)參與受力，纖維也會(huì)達(dá)到自己極限承載力.

2.2 模擬結(jié)果分析

通過ABAQUS模擬計(jì)算的數(shù)據(jù)，在低周往復(fù)試加載中每種加固方式所得數(shù)據(jù)見表3.

表3 各模型有限元計(jì)算結(jié)果匯總

2.2.1 承載力分析

由表3可得與未加固磚砌體墻對比，采用水平噴射方式的加固試件的開裂荷載和極限荷載均有所提升.其中SW-2分別提升了16%、22%；SW-3分別提升了57.6%、52%；SW-4分別提升了254%、193%.

2.2.2 滯回曲線

墻體的滯回曲線研究的意義在于通過滯回曲線的面積可以進(jìn)行墻體的耗能分析，通過滯回曲線得到的骨架曲線可以進(jìn)行剛度、強(qiáng)度、變形特征的分析.圖8分別試件W-1、SW-2、SW-3、SW-4墻體在低周往復(fù)加載下的墻頂實(shí)測荷載-位移滯回曲線.

圖8 試件滯回曲線

由圖8可以看出以下幾點(diǎn)：

(1)施加低周往復(fù)荷載初期砌體墻應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系呈線性趨勢，滯回環(huán)面積?。浑S著施加的荷載逐漸增大，滯回環(huán)呈現(xiàn)橫向較長，豎向較短的趨勢，所包圍的面積逐漸增大，耗能能力增大.當(dāng)在頂梁施加荷載極限增大時(shí)，墻體的剪切滑移作用逐漸明顯，此后每一級荷載最大處曲線重合，耗散能量達(dá)到上限.

(2)SW-2模型在水平往復(fù)荷載作用下的響應(yīng)和W-1模型類似，但墻體進(jìn)入位移時(shí)的墻體位移長度大于W-1，開裂荷載以及極限荷載較未加固墻體提升幅度較小.

(3)SW-3滯回曲線變化相對比上述兩種模型很規(guī)則，在初期開始加載位移荷載時(shí)，墻體位移達(dá)2mm，墻體進(jìn)入塑性破壞階段，滯回環(huán)飽滿，加固墻體隨著裂縫開展，初始剛度逐漸減小.

(4)SW-4滯回曲線，其恢復(fù)力曲線變化接近單調(diào)遞增趨勢，隨著位移荷載加大，每一級的峰值點(diǎn)線性增加，滯回環(huán)的面積逐步增且較前三種模型的滯回面積有提高，其大體走向呈左下方和右上方兩端延伸.

2.2.3 骨架曲線分析

各試件骨架曲線如圖9所示，從圖中可以看出以下幾點(diǎn)：

圖9 試件骨架曲線

(1)對比未加固試件，加固后的試件其極限荷載與位移、破壞荷載與位移有提高.SW-3與SW-4極限荷載提高幅度明顯大于SW-1.

(2)在整個(gè)加載過程中，W-1模型和SW-2模型整個(gè)曲線走向大致相似，考慮誤差的影響，基本是一條相似的曲線.當(dāng)加載中后期，隨著裂縫的貫通，曲線斜率降低，墻體發(fā)生剪切破壞，剛度退化明顯.

(3)SW-3和SW-4兩個(gè)墻體模型延性好，兩者圖像接近一條固定斜率的斜直線，而SW-4由于雙面整體噴射玻璃纖維，束縛作用很強(qiáng)，其圖形增長的速率更大，能很好抵抗各種工況下引起的破壞.

2.2.4 耗能能力

試件的耗能能力以滯回曲線所包圍的面積來衡量.由圖9的骨架曲線明顯看出，四種模型的骨架曲線與位移軸所包圍的面積大小依次為W-1

3 結(jié) 論

通過三種噴射加固方式與未采取加固的墻體做對比，由數(shù)據(jù)可知：斜向噴射加固方式與雙面整體噴射加固方式對墻體承載力與耗能等方面有著大幅度的提升，但由于經(jīng)濟(jì)效益以及施工工藝復(fù)雜等原因，斜向噴射加固方式性價(jià)比更高，因此，選擇斜向噴射加固方式更加合理.