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FRP加固鋼筋混凝土梁柱框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的研究論文
1 引言
重要建筑物如（如軍事指揮所、政府辦公大樓、大型商場）極易成為戰(zhàn)爭攻擊和恐怖襲擊的目標(biāo)，因為這些建筑物一旦被摧毀，不但可以造成大量人員（特別是重要人物）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(zhàn)爭便是從美國空襲薩達姆當(dāng)局領(lǐng)導(dǎo)層所在的總統(tǒng)府開始的；而"9—11"事件在造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失的同時，也使其民眾人心惶惶、另一方面，通過對海灣戰(zhàn)爭中敘利亞有無填充墻的建筑受導(dǎo)彈攻擊后倒塌規(guī)模的對比[2]和五角大樓遭到襲擊后長時間保持穩(wěn)定[3]可知，具有一定結(jié)構(gòu)冗余度的建筑物能夠有效地阻止倒塌蔓延，降低結(jié)構(gòu)破壞范圍、連續(xù)倒塌作為一種極端的倒塌形式，是指結(jié)構(gòu)在局部構(gòu)件受到偶然荷載（如戰(zhàn)爭攻擊、恐怖襲擊、汽車沖擊等）發(fā)生倒塌后造成內(nèi)力重分布，致使相鄰構(gòu)件接連失效，最終發(fā)生大面積、整體性的倒塌、
隨著攻擊制導(dǎo)武器的日趨精確和恐怖主義蔓延，我國很多重要建筑物的結(jié)構(gòu)冗余度亟待加強，以提升其抗連續(xù)倒塌能力、FRP（Fiber Reinforced Ploymer）是一類應(yīng)用普遍的新型高強材料，本文運用有限元分析的方法對采用不同 FRP 粘貼方案后鋼筋混凝土梁柱框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能進行對比，探尋最優(yōu)方案、
2 研究綜述
鋼筋混凝土抗連續(xù)倒塌相關(guān)研究主要包括分析連續(xù)倒塌工程事故、通過結(jié)構(gòu)倒塌過程試驗總結(jié)力的轉(zhuǎn)換機制、探尋連續(xù)倒塌機理和提出設(shè)計方法等方向、英國、歐盟、美國、加拿大等均有自己比較完善的抗連續(xù)倒塌規(guī)范、抗連續(xù)倒塌設(shè)計不同于一般結(jié)構(gòu)設(shè)計的地方在于其對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性提出了更高的要求，且容許結(jié)構(gòu)有一定比例的破壞和一定范圍的變形、比如 DoD2013[4]對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，為考慮動力效應(yīng)，在拆除構(gòu)件法中，當(dāng)采用非線性靜力分析和變形控制時，應(yīng)采用以下的荷載組合：
其中 為荷載放大系數(shù)，D 和 L 分別為恒載和活載、
FRP 常用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎、抗剪和抗壓加固，抗連續(xù)連續(xù)倒塌加固的目的是為了提升構(gòu)件的耗能能力和延性，需綜合考慮上述加固形式、CFRP（Cabon Fiber Reinforced Ploymer，碳纖維布）與 GFRP（Glass FiberReinforced Ploymer，玻璃纖維布）是兩種常用且發(fā)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，且沒有明顯的屈服強度，易發(fā)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(fā)現(xiàn) GFRP 加固后構(gòu)件的延性幾乎是 CFRP 的 2、5 倍、目前文獻中對 CFRP 和 GFRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌對比的相關(guān)研究較少見、
LS—DYNA 可以模擬結(jié)構(gòu)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(jié)對比，發(fā)現(xiàn)新增的 CSCM 模型適合應(yīng)用在結(jié)構(gòu)倒塌分析領(lǐng)域，并校正了相關(guān)材料參數(shù)、Jin—WonNam[8]等人對比四種不同的 FRP 布有限元模型，發(fā)現(xiàn)正交異性線彈性模型更適合運用在其對混凝土結(jié)構(gòu)加固的模擬上、
3 算例
3、1 試件設(shè)計
本文設(shè)計了一棟五層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)（如圖 1 所示），并沿底層縱向取出兩跨一層的梁柱框架子結(jié)構(gòu)，假設(shè)其中間柱已經(jīng)失效、梁柱縱筋均采用 HRB400，箍筋采用 HPB300，并按照規(guī)范規(guī)定[1]
進行加密，混凝土采用 C30，保護層厚度為 25mm、此算例旨在為后期現(xiàn)場試驗提供理論支持、
為了探究 FRP 對提高其抗連續(xù)倒塌性能效果最佳加固形式，本文綜合考量其經(jīng)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(guān)計算、
其中混凝土、鋼筋和 FRP 的采用的單元類型分別為 SOLID164、BEAM161 和 SHELL163，材料本構(gòu)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）、特別的，為了防止施加荷載時出現(xiàn)應(yīng)力集中，在中間柱頭上方設(shè)置一塊加載墊塊，使用 SOLID164 單元類型和剛體材料本構(gòu)（*MAT_RIGID），結(jié)構(gòu)與地面（剛體）連接[9]、
為證實有限元模型的準(zhǔn)確性，本文對湖南大學(xué)易偉健等人的平面框架連續(xù)倒塌試驗（圖 3a、圖 3c）[10]
進行模擬，建立了如圖 3b 所示的有限元模型，再現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的倒塌過程，通過中柱位移軸力曲線（圖 3d）和豎向水平位移曲線（圖 3e）均可以看出模擬結(jié)果有明顯的彈性、拱效應(yīng)和懸鏈線效應(yīng)發(fā)展階段，且與試驗結(jié)果接近、
3、3 加載
因相關(guān)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(jié)約機時，本文采用 1m/s 的速度勻速加至 500mm，其中為保證加載開始結(jié)束階段速度不會過大，采用余弦函數(shù)進行加載，并關(guān)閉混凝土應(yīng)變率開關(guān)、通過觀察對比能量平衡結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其動能均極小，可以忽略、
3、4 結(jié)果比較
3、4、1 破壞特征比較
FRP 加固后的框架子結(jié)構(gòu)有限元模型分別有如圖 4 所示的三種破壞形態(tài)、破壞過程依次為為：A、C點混凝土開裂；C 點（CLZ1、GLZ1）或 A 處（CLZ2、GLZ2）FRP 發(fā)生剝離和斷裂破壞；B、D 點混凝土開裂；A、C 點鋼筋達到受拉極限被拉斷、GLZ3 和 CLZ3 的 FRP 按照先 C 點再 A 點的順序失效、值得注意是，B 和 D 處 FRP 在懸鏈線階段依然發(fā)揮了拉桿效應(yīng)、環(huán)形箍和 U 形箍可以阻止 FRP 的迅速剝離、
3、4、2 數(shù)據(jù)對比分析
通過觀察圖（5a）所示位移荷載曲線可以發(fā)現(xiàn)，各試件隨著位移增加均呈現(xiàn)出明顯的彈性變形、拱效應(yīng)、拉壓轉(zhuǎn)化和懸鏈線效應(yīng)階段、中柱位移在 20mm 以內(nèi)為彈性階段，各曲線差別極小，說明此時 FRP 發(fā)揮的作用均有限；而到了拱效應(yīng)階段，A、C 處 FRP 由于發(fā)生脆性斷裂，沒有起到明顯拉桿效果，CLZ3 和 GLZ3在拱效應(yīng)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可以在一定程度上延緩 FRP 斷裂，有助于發(fā)揮結(jié)構(gòu)拱效應(yīng)；中柱位移在 200mm 左右，結(jié)構(gòu)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，達到了 115KN 荷載設(shè)計要求，結(jié)合破壞特征推測，F(xiàn)RP 在此階段分擔(dān)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(fā)生斷裂，結(jié)構(gòu)也逐漸喪失了承載能力、可將 C 點鋼筋斷裂作為結(jié)構(gòu)懸鏈線階段的結(jié)束，結(jié)構(gòu)達到了倒塌極限承載力，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）、
通過比較各方案鋼筋斷裂時位移點位置可以發(fā)現(xiàn)，GLZ3、CLZ3 的中柱位移更大，說明其結(jié)構(gòu)延性更好，能夠經(jīng)受住更大的撓度變形、
各方案輸出的結(jié)構(gòu)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(qū)別；到了200mm 左右（結(jié)構(gòu)進入了懸鏈線效應(yīng)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，說明 FRP 在構(gòu)件發(fā)生大變形時分擔(dān)了部分的耗能任務(wù)、
4 結(jié)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結(jié)構(gòu)進行了模擬分析，直觀地重現(xiàn)和模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形時的倒塌破壞過程、通過對比較不同破壞階段 FRP 發(fā)揮的作用，可以得到如下幾點結(jié)論：
1、合理粘貼 FRP 可以明顯提高構(gòu)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）可以充分發(fā)揮框架梁的懸鏈線效應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)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）增強效果更明顯；
2、方案 CLZ3、GLZ2、GLZ3 均符合 DoD2013 抗連續(xù)倒塌規(guī)范設(shè)計荷載，說明通過選擇合理的粘貼材料和組合形式可以在一定程度上提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能；
3、分析破壞形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)在截斷處采用 U 形箍或環(huán)形箍錨固可以有效阻止 FRP 剝離的蔓延，更好發(fā)揮其抗拉性能、
參考文獻：
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