噴射GFRP加固磚墻抗剪承載力有限元分析★

張 智 谷 倩 余啟明

(1.武漢工業(yè)學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430023;2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430070)

玻璃纖維聚合物(GFRP)是由玻璃纖維和樹脂共同組成的復(fù)合材料，將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)具有高強(qiáng)高效、耐腐蝕性好、施工方便和適用面廣等優(yōu)點(diǎn)。目前，國內(nèi)外有關(guān)GFRP纖維織物或片材纏繞粘貼加固砌體結(jié)構(gòu)的研究已取得較多成果，但采用噴射GFRP加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)加固砌體結(jié)構(gòu)的研究近幾年才剛剛起步［1］。為驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的合理性，本文采用ANSYS有限元分析方法對噴射玻璃纖維聚合物加固帶構(gòu)造柱磚墻進(jìn)行了數(shù)值研究，著重介紹了加固對墻體承載力的影響，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試件及加固

試驗(yàn)共制作4片帶構(gòu)造柱墻片，其中一片未加固試件為對比試件，另3片均噴射玻璃纖維聚合物加固，制作試件的材料為MU10蒸壓粉煤灰磚和M5的混合砂漿，試件尺寸如圖1所示。砌筑嚴(yán)格按照砌體基本力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試件編號(hào)及加固方案如表1所示，試驗(yàn)噴射成型的GFRP性能指標(biāo)如表2所示［2］。

圖1 試件尺寸圖

表1 試件編號(hào)及加固方案

表2 噴射GFRP的性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)裝置為常規(guī)擬靜力裝置，試件的加載制度采用先控制作用力，后控制位移的混合加載法［3］。水平位移由墻體最上一皮磚中部布置的位移計(jì)采集，經(jīng)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀收集后輸出到函數(shù)記錄儀，與由往復(fù)作動(dòng)器前端的拉壓力傳感器采集的荷載數(shù)據(jù)結(jié)合，可繪制試驗(yàn)過程中試件的滯回曲線，滯回曲線的外包線稱為骨架曲線，能直接反映加載過程中荷載與位移之間的關(guān)系，試件的骨架曲線如圖2所示。

圖2 各試件的骨架曲線

由試驗(yàn)實(shí)測所得的滯回曲線分析可得承載力結(jié)果如表3所示。

表3 試件試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，相對于對比試件W-1，3片經(jīng)過噴射GFRP加固墻體的開裂荷載和極限荷載均有較大的提高。對比試件SW-2和SW-3(相同的纖維長度，不同的噴射厚度)，二者的開裂荷載和極限荷載的提高率比較接近，可以認(rèn)為，噴射GFRP厚度對加固墻體抗剪承載力的影響并不大;對比試件SW-3和SW-4(相同的噴射厚度，不同的纖維長度)，SW-4的開裂荷載和極限荷載均比SW-3的稍大，可見，纖維長度對墻體的抗剪承載力有一定影響，纖維越短，承載力越大。但是，SW-4的開裂位移和極限位移提高率都要小于SW-3，長纖維更有利于提高墻體的變形能力。

2 ANSYS有限元模型

考慮到砌體結(jié)構(gòu)模型復(fù)雜性，本文中采用分離式建模。為使模型更接近于實(shí)際，采用自由網(wǎng)格劃分，利用人工設(shè)置智能尺寸控制技術(shù)(SMARTSIZE命令)來自動(dòng)控制網(wǎng)格的大小和疏密，在體上自動(dòng)生成四面體網(wǎng)格［4］。為模擬試驗(yàn)中地梁被完全固定的約束情況，ANSYS分析時(shí)，將地梁底部簡化為固定支座，三個(gè)方向的自由度均被約束。

荷載可以分為兩部分，一部分為在頂梁上表面施加Z方向的面荷載，荷載值為0.4 MPa，另一部分為水平低周往復(fù)荷載，采用X正反兩方向逐級(jí)增大荷載。建立的ANSYS有限元模型如圖3所示。

圖3 墻體有限元模型

3 對比分析

3.1 模型 W-1

ANSYS計(jì)算和試驗(yàn)實(shí)測得到的對比試件W-1的荷載—位移曲線如圖4所示。

圖4 W-1荷載—位移曲線

從圖4中可以看出，在加載的初期，ANSYS計(jì)算的荷載—位移曲線與試驗(yàn)值吻合較好，在荷載超過115 kN后，ANSYS模型W-1的荷載—位移曲線斜率變大，此時(shí)模型進(jìn)入彈塑性階段。ANSYS有限元計(jì)算得到的極限荷載小于試驗(yàn)實(shí)測得到的實(shí)際極限荷載，主要原因是在實(shí)際加載過程中，當(dāng)出現(xiàn)局部破壞時(shí)，試件并不會(huì)馬上喪失承載能力，能在一個(gè)較大的范圍內(nèi)繼續(xù)承擔(dān)不斷增大的荷載;但ANSYS數(shù)值計(jì)算與實(shí)際情況并不一樣，一旦出現(xiàn)了局部應(yīng)力過大，變形過大，本文實(shí)體模型較為復(fù)雜的網(wǎng)格劃分使得單元有可能出現(xiàn)畸變，計(jì)算無法繼續(xù)進(jìn)行，最終造成無法收斂，計(jì)算終止。ANSYS計(jì)算得出的極限位移相比試驗(yàn)實(shí)測值小了很多，其主要原因是沒有考慮砂漿與磚塊之間的粘結(jié)滑移，試驗(yàn)試件的剛度退化速度明顯快于ANSYS模型;從計(jì)算結(jié)果可以看出，運(yùn)用ANSYS進(jìn)行有限元分析很難模擬荷載—位移曲線的下降段。

3.2 模型 SW-2

ANSYS計(jì)算和試驗(yàn)實(shí)測得到的模型SW-2的荷載—位移曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出，相比于對比模型W-1，模型SW-2極限荷載和極限位移均有較大幅度的提高，分別為達(dá)到387 kN和4.05 mm，但與試件W-1類似，ANSYS有限元計(jì)算的極限承載力和極限位移均小于試驗(yàn)值。當(dāng)荷載小于175 kN時(shí)，墻體尚未開裂，此時(shí)模型處于彈性階段，荷載—位移曲線接近于直線，當(dāng)荷載達(dá)到約175 kN時(shí)，由于墻體出現(xiàn)裂縫，模型整體剛度有所退化，荷載—位移曲線的斜率變小。

3.3 模型 SW-3

圖5 SW-2荷載—位移曲線

ANSYS計(jì)算和試驗(yàn)實(shí)測得到的模型SW-3的荷載—位移曲線如圖6所示。

圖6 SW-3荷載—位移曲線

從圖6中可以看出，相比于對比模型W-1，模型SW-3極限荷載和極限位移也有一定程度的提高，分別為達(dá)到276 kN和3.78 mm，但與試件W-1類似，ANSYS有限元計(jì)算的極限承載力和極限位移均小于試驗(yàn)值。當(dāng)荷載小于165 kN時(shí)，墻體尚未開裂，此時(shí)模型處于彈性階段，荷載—位移曲線接近于直線，當(dāng)荷載達(dá)到約165 kN時(shí)，由于墻體出現(xiàn)裂縫，模型整體剛度出現(xiàn)退化。

3.4 模型 SW-4

ANSYS計(jì)算和試驗(yàn)實(shí)測得到的模型SW-4的荷載—位移曲線如圖7所示。

圖7 SW-4荷載—位移曲線

相比于對比模型W-1，由ANSYS有限元計(jì)算得的SW-4的極限荷載和極限位移也有一定程度的提高，分別為達(dá)到293 kN和3.49 mm。相比于模型SW-3，承載力有所增大而變形能力卻降低了，這與試驗(yàn)結(jié)果是一致的，較短的玻璃纖維長度能更有效提高結(jié)構(gòu)的承載能力，但玻璃纖維越長對提高結(jié)構(gòu)的變形能力越有效。

4 結(jié)語

1)有限元分析結(jié)果表明，噴射GFRP加固能顯著提高模型的極限荷載和極限位移，較短的玻璃纖維長度能更有效提高結(jié)構(gòu)的承載能力，但玻璃纖維越長對提高結(jié)構(gòu)的變形能力越有效。這與試驗(yàn)結(jié)果是一致的。2)試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)局部破壞時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的整體作用，試件并不會(huì)馬上喪失承載能力，能在一個(gè)較大的范圍內(nèi)繼續(xù)承擔(dān)不斷增大的荷載;而在ANSYS數(shù)值計(jì)算時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)了局部應(yīng)力和變形過大，單元就有可能出現(xiàn)畸變而無法收斂，計(jì)算無法繼續(xù)進(jìn)行，因此有限元計(jì)算得出的極限荷載均小于試驗(yàn)值。3)由于未考慮砂漿與磚塊、加固層與墻體之間的粘結(jié)滑移，有限元模擬計(jì)算得出的變形遠(yuǎn)小于墻體的實(shí)際變形。4)有限元分析時(shí)僅在頂梁上表面施加0.4 MPa的均布豎向荷載，并未施加約束，但在試驗(yàn)時(shí)，施加豎向荷載的反力橫梁和反力架實(shí)際上對墻體在Z方向起到了一定的約束作用，對提高墻體的抗剪承載力也起到一定的效果。

［1］ 張 智，谷 倩，霍凱成.噴射玻璃纖維聚合物加固磚墻試驗(yàn)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，32(13):58-61.

［2］ A.J.Boyd.Rehabilitation of Reinforced Concrete Beams with Sprayed Glass Fiber Reinforced Polymers［D］.Vancouver，BC:The University of British Columbia，2000.

［3］ JG 101-96，建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程［S］.

［4］ 郝文化.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.