碳纤维加固开洞砖墙试验分析
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现在一种全新的、具有较高技术含量的加固方法是利用碳纤维对混凝土结构进行加固。
因为碳纤维本身有着高强度和自重轻,并且施工便捷这些良好的功能,在整个建筑业当中有着非常广泛的前景。
1通过碳纤维片材进行加固通过碳纤维片材实现对混凝土结构进行加固的技术是利用通过胶黏剂把碳纤维增强复合材料片材贴在混凝土的表面,并且通过两者的共同相互受力,达到结构补强和抗震加固的效果。
碳纤维材料自身就有着高强度、重量轻、高弹性模量和耐腐蚀等良好的特点。
一般进行修复和加固混凝土所用的碳纤维材料主要分为两种:碳纤维材料和配套树脂。
碳纤维材料的抗拉强度是建筑所用钢材的十倍之多,而弹性模量却与钢材相同,这无非是一种很不错的加固材料;配套树脂包括找平树脂、粘结树脂和底层树脂,找平树脂和底层树脂是起到提高碳纤维粘结质量的作用,粘结树脂是为了让碳纤维和混凝土形成一个符合性的整体,两者相互配合以便提高构件的承载力。
2利用碳纤维片材加固的优点利用碳纤维片材加固有着高强高效的优点。
因为碳纤维有着良好的物理学性能,在进行混凝土结构的修补加固中,能够提高混凝土结构和构件的承载力,完善受力性能,最终使加固修补达到最高效。
据有关资料显示,碳纤维材料是同等黏贴钢板施工材料中其他材料的8倍。
通过实验可以得知,利用碳纤维材料进行混凝土加固有着很好的耐久性和耐腐蚀性,能够抵抗建筑物总会遇到的酸、碱、盐离子对构筑物的腐蚀后果,可以广泛应用到各类建筑物和构筑物中。
而且不会改变结构的形状。
针对于一些隧道、大型筒体和壳体结构等工程,采用以往的加固方法无法完成,但是利用碳纤维片材加固技术就能够全部解决,而且质量能够得到保证。
3碳纤维材料加固所能应用的范围3.1碳纤维材料能够广泛应用于各类型结构和各种部位,而且利用碳纤维进行加固还能够应用到砖砌体的一些力学性能中。
比如梁柱构件的抗剪加固、混凝土柱子牛腿的断裂加固及承载力不足加固等一系列加固工程中。
3.2碳纤维片材加固修复混凝土的标准在用碳纤维片材实现对混凝土结构实施加固时,可以用与之相配套的粘结材料,把碳纤维片材连在一起,这样可以保证碳纤维片材能够有足够的承受压力,而且还可以与混凝土一起受力。
碳纤维在建筑结构加固中的力学分析碳纤维在建筑结构加固中的力学分析摘要:随着建筑材料种类的增多和应用的广泛,人们越来越重视材料在建筑结构加固中的力学作用了,其中对碳纤维材料的研究与应用成为了国内外研究领域的新课题。
碳纤维材料是最早应用于土木工程领域、技术最成熟、使用量最大的一种高科技建筑材料,其具有高抗拉强度、高弹性模量、耐腐蚀、耐久性能好等突出特点,并且在建筑加固工程中施工方便,适应于各种结构外形的补强,能够有效地把混凝土的裂缝封闭,还不会增加结构自重,既有利于提高工程的巩固度和使用寿命,又节约了建筑本钱,提高了经济效益。
本文从简介碳纤维材料入手,进而分析碳纤维在建筑结构加固中的力学作用,主要以混凝土结构构件加固的受力方式进行阐述,希望本文能够为碳纤维材料在建筑结构加固中的推广应用做出奉献。
关键词:碳纤维建筑结构加固力学一、碳纤维材料的简介性能优异的新材料和新技术的开展并推广应用能够有效地促进土木工程学科的开展,本文介绍的碳纤维材料就是一种新型的用于土木结构工程的材料,碳纤维是一种由有机母体纤维采用高温分解法在1000~3000度高温的惰性气体下去除碳以外的所有元素制成的新型非金属材料,其是由直径为12um左右的单丝聚集在一起形成的多纤维状结构,碳布是碳纤维由单向或双向排列形成的一种片材,常用的是单向片材。
碳纤维的主要成分是对苯二胺聚合物,因为其中含有脂肪族主链和含芳香族主链,所以分子结构很牢固,凸显了其在加固技术中的特点和优越性:1、碳纤维材料的化学稳定性能优异,具有很强的适应温度稳定性、抗酸性、抗碱性、抗盐性、抗紫外线和防水等,有效地延长了建筑物的使用寿命。
2、碳纤维材料的物理力学性能优异,有效应用于结构物的抗弯、抗剪、抗压、抗疲劳、抗震、抗风、控制裂缝和挠度的补强工程,补强效果明显。
3、碳纤维材料的质量轻、强度高,不影响结构体外观。
4、粘贴碳纤维材料加固混凝土技术的施工工序简单、便捷。
碳纤维材料具有的特性决定了其在工程领域中的应用,如:1、不导电性,使其能够很好的应用于绝缘性要求很高的建筑,比方地铁、隧道、电气化铁路、工业厂房等。
预应力碳纤维布加固混凝土构件的试验及施工技术一、碳纤维布的特性碳纤维布是一种由多个超细的碳纤维索折叠而成的无纺布,大部分由碳挤出布制成,也可由碳化纤制成。
碳纤维布具有抗拉强度高、拉伸模量高、体积密度小、弯曲模量高、耐化学腐蚀能力强、弹性模量高等特性。
由于碳纤维布可大幅提高混凝土构件的抗拉强度和刚度,因此被广泛应用于预应力筑造结构。
二、预应力碳纤维布加固混凝土构件的试验1.耐拉力试验:采用合格的耐拉仪,以一定的速度和力应力试验,按规定时间观察试件的情况,关于破坏时的拉力、松弛率、断后伸长率等指标取样测试,评定碳纤维布加固后的材料的抗拉性能。
2.疲劳试验:采用合格的疲劳机床,以相同的速度但不同的载荷连续测试,检查耐久次数与承载能力,观察在预定条件下试样的变形,并记录拉伸、应变,以此确定碳纤维布连续荷载下,构件的承载能力。
3.高温性能试验:采用烘箱,以一定的时间加热,找出碳纤维布加固构件在特定温度和时间下的变形、断裂特性,衡量其抗高温开裂能力。
三、预应力碳纤维布加固混凝土构件的施工技术1.前期准备:对要采用碳纤维布加固的混凝土构件进行准备工作,清除表面水泥渣、污垢等杂物;2.安装改型:制定合理的改型方案,采用注浆方法,将碳纤维布固定在表面,同时布置合理的加固节点;3.注浆粘接:采用专用胶水或水泥混合物等水泥凝灰,尽可能对碳纤维布和构件表面进行充分的粘接。
4.施加预应力:将已经粘接的碳纤维布及混凝土构件施加预定的预应力,以确保碳纤维布及混凝土构件的刚度和稳定性;5.张紧调整:安装完预应力装置后,进行张紧调整,校准预应力装置,使预应力在指定的范围内;6.固定工作:完成粘接、施预应力和张紧调整工作后,利用橡皮垫、混凝土或钢板等方法将预应力器固定;7.验证试验:完成预应力碳纤维布加固混凝土构件施工工作后,通过试验证明碳纤维布加固后的混凝土构件符合要求。
综上所述,预应力碳纤维布加固混凝土构件的试验及施工技术是非常重要的分类工作,加固时需要谨慎细致,确保碳纤维布加固工程施工质量。
碳纤维材料在结构加固补强工程中的应用摘要:就碳纤维材料(碳纤维布)的特性、加固补强原理、操作流程进行论述,并通过实际案例的应用,对加固补强工艺进行分析,并提出整改要求。
关键词:碳纤维、加固、补强前言:随着我国经济建设的飞速发展,现有建筑中有相当一部分由于历史遗留问题以及使用功能的改变,设计荷载已难以满足当前使用的需求,亟需进行维修加固。
碳纤维材料(碳纤维布)加固补强是继加大混凝土截面、粘钢之后的又一新型的结构加固技术。
现就碳纤维材料的加固补强应用进行简要分析。
一、碳纤维复合材料与碳纤维布碳纤维是由含碳量较高,在热处理过程中不熔融的人造化学纤维,经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的,具有一般碳素材料的特性,如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等,但与之不同的是,其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物,沿纤维轴方向表现出很高的强度。
此外碳纤维比重小,具有很高的比强度。
碳纤维布又称碳素纤维布、碳纤布等,是一种单向碳纤维加固产品,通常采用12K碳纤维丝织造。
碳纤维布一般厚度为:0.111mm(200g)和0.167mm(300g),宽度100~500mm不等。
二、结构加固原理与执行标准加固原理:将抗拉强度极高的碳纤维用环氧树脂预浸成复合增强材料(单向连续纤维);用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的结构上,形成新的复合体,使增强粘贴材料与原有钢筋混凝土共同受力增大结构的抗裂或抗剪能力,提高结构的强度、刚度、抗裂性和延伸性。
中国国内最早的规范是2003年《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》,其编号为CECS146:2003,已经被最新的国家标准规范《混凝土结构加固设计规范》替代,其编号为GB50367-2013。
三、产品特点与适用范围碳纤维加固可用于混凝土结构抗弯、抗剪加固,广泛用于各类工业与民用建筑的结构补强。
碳纤维加固与传统的加大混凝土截面或粘钢混凝土补强相比,具有如下优点:1)材料轻质量高强度,节省空间,基本不增加结构尺寸及自重。
24卷1期2008年3月世 界 地 震 工 程W ORLD EARTHQUAKE ENG I N EER I NGV o.l 24,N o .1M ar .,2008收稿日期:2007-08-15; 修订日期:2008-02-11基金项目:武汉市建设委员会科技计划(03174-5);武汉市青年科技晨光计划(20035002016-30)及校科研基金(2003XJJ 171)资助项目 作者简介:田水(1968-),男,博士生,讲师,主要从事工程抗震方面研究.文章编号:1007-6069(2008)01-0153-05碳纤维布加固开窗洞实心粘土砖墙的试验研究田 水 彭少民 谷 倩(武汉理工大学土木与建筑学院,湖北武汉430070)摘要:通过对碳纤维布加固的带窗洞粘土砖墙在周期性荷载作用下受力性能的试验,研究了粘贴碳纤维布加固修复带窗洞粘土砖墙这种抗震加固方法的有效性和其抗震加固的效果。
对加固后墙体的破坏形态、变形性能、耗能能力和承载力作了全面的分析,研究了碳纤维布加固带窗洞粘土砖墙的受力和变形特性,分析了碳纤维布对开裂砖墙的加固机理,表明碳纤维布用于带窗洞粘土砖墙的抗震加固是很有效的。
关键词:碳纤维布;砖墙;加固中图分类号:TU 377.9文献标识码:AExperim ental study on behavior of brick walls strengthening bycarbon fiber sheets and w ith a w indo wT I A N Shui PENG Shao -m i n GU Q ian(S choo l ofC i vil Engi n eeri ng and Arch it ecture ,WUT ,W uhan 430070,Ch i na)Abst ract :Based on the tests of brick w alls strengthen i n g by car bon fi b er sheets and w ith a w indo w under cyclic loadi n g ,the effectiveness of the ne w m ethod o f the streng then i n g brick w alls is stud ied .The i n d i v i d ua lbrick wa ll p s failure shape ,de f o r m ation,energy d i s sipation and load beari n g capac ity o f the strengthened brick w a lls are ana -l y zed i n detai.l The experi m enta l study is sho w n that t h e strengthening effect is ver y obv ious .K ey w ords :carbon fi b er sheet(CFS);br i c k w a l;l strengthening1 引言碳纤维布加固因其具诸多优点而引起土木工作者及研究人员的极大关注。
碳纤维加固受力分析报告引言:近年来,碳纤维加固技术在工程领域得到广泛应用。
该技术通过在基体材料中添加碳纤维强化层,提高了构件的强度和刚度,从而改善了结构的抗弯、抗剪、抗压和抗拉等力学性能。
本文将针对碳纤维增强材料在不同受力情况下的性能进行分析和评估。
一、碳纤维加固的原理碳纤维加固技术基于两个基本原理:一是提高了构件的截面尺寸,使其具备较大的面积惯性矩,从而增加了受拉和受压时的抵抗力;二是碳纤维的高强度和高模量特性,为构件提供了更好的刚性和承载能力。
二、弯曲受力情况下的分析在弯曲受力情况下,碳纤维加固的主要作用是提供抗弯刚度和强度。
碳纤维增强材料的应力与应变关系呈线性,且其弹性模量远高于基体材料,因此可以有效地减小受力区域的应变。
此外,碳纤维增强材料的高强度也能够提供充足的抗弯能力。
三、剪切受力情况下的分析在剪切受力情况下,碳纤维加固的作用主要体现在增加构件的刚度和抗剪能力上。
碳纤维增强材料的高强度和高模量特性使其能够有效地抵抗剪切力,从而提高了构件的整体承载能力。
四、压缩受力情况下的分析在压缩受力情况下,碳纤维加固的作用是提供额外的抵抗力,从而提高构件的整体稳定性和抗压能力。
由于碳纤维增强材料的高强度和高模量特性,其可以有效地防止构件出现屈曲和破坏。
五、拉伸受力情况下的分析在拉伸受力情况下,碳纤维加固的作用是提高构件的抗拉能力。
碳纤维具有很高的拉伸强度,能够有效地抵抗拉伸应力,从而保证结构的整体安全性。
六、其他受力情况下的分析除了弯曲、剪切、压缩和拉伸外,碳纤维加固还可以应对其他受力情况,如扭转、侧向加载等。
碳纤维增强材料具有良好的耐疲劳性能和超高抗冲击能力,能够有效地抵御复杂多变的应力环境。
结论:碳纤维加固技术在各种受力情况下都能够有效地提高构件的强度和刚度,改善结构的力学性能。
然而,碳纤维加固也存在一些问题,如成本较高、施工难度大等。
因此,在实际应用中,需要综合考虑碳纤维增强材料的性能和经济性,并采取合适的加固手段,以确保结构的可靠性和安全性。
碳纤维在建筑结构加固工程中应用研究【摘要】碳纤维在建筑结构加固工程中具有重要的应用价值和发展前景。
本文从研究背景和研究目的出发,探讨了碳纤维加固技术的概述,以及在建筑结构加固工程中的优势和不同材料加固中的应用研究。
通过案例分析,展示了碳纤维在实际工程中的成功应用。
本文对碳纤维在建筑结构加固中的发展趋势进行了展望,认为碳纤维技术将对建筑结构加固工程产生重要影响。
在强调了碳纤维技术对建筑结构加固工程的意义,并探讨了碳纤维技术的未来发展方向。
碳纤维技术的应用将为建筑结构的安全性和稳定性提供重要支持,推动建筑结构加固工程的发展。
【关键词】碳纤维、建筑结构、加固工程、技术概述、优势、应用研究、工程案例分析、发展趋势、意义、未来发展方向。
1. 引言1.1 研究背景近年来,随着城市化进程的不断加快和建筑结构老化问题的日益凸显,建筑结构加固工程显得愈发重要。
传统的加固材料和技术存在着一些局限性,如施工周期长、加固效果不明显等问题。
而碳纤维作为新型加固材料,具有优异的性能,受到了广泛关注。
碳纤维具有轻质、高强度、耐腐蚀、易施工等特点,能够有效提高建筑结构的承载能力和抗震性能。
越来越多的研究开始关注碳纤维在建筑结构加固工程中的应用。
通过对碳纤维加固技术进行深入研究和探索,可以为解决建筑结构老化和加固问题提供新的解决方案,推动建筑结构加固工程的发展和进步。
本文就将对碳纤维在建筑结构加固工程中的应用进行综合研究和探讨,探讨碳纤维在不同材料加固中的应用情况以及其在工程实践中的具体案例分析,力求揭示碳纤维技术在建筑结构加固领域的潜在优势和发展前景。
1.2 研究目的研究目的是探讨碳纤维在建筑结构加固工程中的应用研究,分析其在不同材料加固中的优势和适用性,总结碳纤维加固技术的特点和发展情况。
通过对碳纤维加固工程案例的分析,揭示其在实际工程中的应用效果和经济效益,为进一步推广和应用碳纤维技术提供实践和经验参考。
通过对碳纤维技术在建筑结构加固领域的发展趋势进行研究,探讨其未来在该领域的应用前景和发展方向,为建筑结构加固工程的技术革新提供理论依据和指导意义。
碳纤维在建筑结构加固中的力学分析-
摘要:随着建筑材料种类的增多和应用的广泛,人们越来越重视材料在建筑结构加固中的力学作用了,其中对碳纤维材料的研究与应用成为了国内外研究领域的新课题。
碳纤维材料是最早应用于土木工程领域、技术最成熟、使用量最大的一种高科技建筑材料,其具有高抗拉强度、高弹性模量、耐腐蚀、耐久性能好等突出特点,并且在建筑加固工程中施工方便,适应于各种结构外形的补强,能够有效地把混凝土的裂缝封闭,还不会增加结构自重,既有利于提高工程的坚固度和使用寿命,又节约了建筑成本,提高了经济效益。
本文从简介碳纤维材料入手,进而分析碳纤维在建筑结构加固中的力学作用,主要以混凝土结构构件加固的受力方式进行阐述,希望本文能够为碳纤维材料在建筑结构加固中的推广应用做出贡献。
关键词:碳纤维建筑结构加固力学
一、碳纤维材料的简介
二、碳纤维在建筑结构加固中的力学分析
三、结束语
随着我国经济的快速发展以及人们对于高生活质量的追求,在建筑物中需要使用新的技术和材料,以此来提高建筑的安全性能和环保性能。
碳纤维材料就是一种安全性能高,环保质量好的建筑材料,对各类桥梁及房屋建筑结构的维修、加固、改造起到非常重要的作用。
但是在我国,新型材料碳纤维引进和应用于粘贴碳纤维加固混凝土的技术时间不长,技术还不够成熟,需要加大研究和推广应用力度,使该项技术在越来越多加固项目中得到应用,在混凝土结构加固工程中充分体现其优异的性能,促
进碳纤维加固修复技术步入成熟、完善、健康的发展轨道。
谈混凝土结构梁腹开洞碳纤维加固技术一、前言:由于时代的发展变化、建设单位的更正、工程业主变更等诸多因素导致现有建筑的使用功能不能满足新的要求。
比如:改变结构用途、提高使用荷载、增大使用平面或使用空间等等,这可能会使还未竣工验收的工程,就需要进行加固改造。
本文结合改造的工程实例,介绍梁腹上开洞的粘碳纤维、粘钢和柱子包钢加固的受力分析、施工工艺、质量控制。
二、工程概况及工程特点2007至2010年间,本人参与海淀区社区卫生服务中心的标准化装修改造工程。
工程改造施工关键点是:原有门诊楼的公共走廊通道狭窄,不能满足消防验收标准;原有门诊楼没有专为重度病人上下运行的电梯;原有门诊楼首层出入口数量少,不能满足消防验收中疏散人流的标准;原有门诊楼局部房间狭窄,不能满足医疗卫生功能性标准等等。
三、混凝土结构梁腹开洞碳纤维加固1、梁腹开洞受力分析框架梁腹开洞,降低了梁的承载力和刚度,受力分析较复杂,既受弯距、剪力、压力也受弯钮力距的作用。
一般而言,框架梁中间的弯距最大,二端的剪力最大,中间部位应力最小。
按照设计要求,开孔的直径不能大于梁高的1/3,且宜在梁的中间部位,并确保孔的上边距梁面不少于200mm,孔的下部距梁底不少于200mm,孔的净距离也必须大于200mm,而且开孔时尽量避开梁箍筋,并保留原梁受力主筋。
梁中间部位各应力虽较小,但对梁受弯承载力最为不利。
因此必须对梁受弯极限承载力进行加固计算。
但梁正截面弯矩承载力的提高幅度也不宜过大,不宜超过40%,否则还应对梁受剪承载力进行验算,其目的是为了强调"强剪弱弯"设计原则的重要性。
2、梁腹开洞碳纤维加固的原理对于适筋矩形截面梁,荷载作用下发生塑性破坏的三个阶段:随着荷载的加大,当截面受拉边缘的应变达到混凝土的极限拉应变时,拉區混凝土开裂并逐渐退出工作,其承担的拉力将传给钢筋,使开裂截面钢筋应力发生突变(第Ⅰ阶段);随着荷载的加大,随着裂缝的出现并向上延伸,梁的刚度降低,截面应变增大,压区混凝土出现塑性变形,压应力图形呈曲线形,钢筋应力达到屈服(第Ⅱ阶段);钢筋屈服后其应力不再增加,而应变迅速增大,这时中和轴迅速上升,挠度急剧增加。
浅谈混凝土结构后开洞碳纤维加固施工工艺【摘要】碳纤维布加固修复混凝土结构技术是采用配套胶粘剂将碳纤维布粘贴于混凝土表面,起到结构补强和抗震加固的作用,广泛用于建筑物混凝土墙、板等构件开洞、缺陷修复等加固工程中。
本文结合笔者在XX工程中的施工经验,介绍了碳纤维加固的施工工艺和控制要点,对类似工程的施工有一定参考作用。
【关键词】碳纤维加固施工工艺1 前言1.1 工程概况XX工程坐落在北京市XX区XX镇,本工程为群体别墅工程,由X栋单体别墅和一个地下配电室组成,总建筑面积为XXXm2。
别墅为地下一层,地上二层,结构形式为全现浇剪力墙结构。
群体别墅工程户型多、洽商多、变更多是其最大施工特点。
根据建设单位要求,结构后期、装修期间我项目先后收到部分户型涉及通风系统管道改动、新增燃气管道和消防管道,新增或改动门窗口位置、尺寸等等设计变更,这些变更的施工都需要在已完成的主体结构剪力墙、顶板上后开洞。
按照设计要求,开洞后为保证主体结构的建筑安全性,采用粘贴碳纤维布加固方式对后开洞部位进行加固。
1.2 碳纤维加固的施工特点碳纤维加固是利用同一方向排列的高强碳纤维编织物,通过专用化学粘结胶,紧密贴于混凝土结构表面,在不增加结构物和外形尺寸的前提下,达到加固补强被加固构件强度及改善结构受力性能的目的。
碳纤维加固的施工特点如下:(1)自重轻,能自狭小的空间操作,施工便捷。
(2)强度高,能灵活地用于抗弯、抗剪及轴压构件的加固。
(3)具有优良的柔韧性,能包裹复杂的外形构件。
(4)满足各种构件表面的抗碱抗化学腐蚀要求。
(5)碳纤维编织物厚度小,粘帖覆盖平整,对装修影响小。
(6)容许操作期限长,在操作前、操作中和操着后都允许环境存在一定的差异。
(7)抗高温、抗蠕变、耐磨损、抗震性能良好。
2 材料选用本工程选用UT70—30 东丽碳素纤维布和配套的胶粘剂。
所有材料进场后,会同监理单位对产品合格证、产品质量出厂检验报告、包装完成性等进行检查。
楼板开洞改造有限元分析及粘贴碳纤维加固方法1 前言土木工程领域已有结构的加固改造是当前一个相当普遍的问题。
许多建筑在施工或使用过程中,由于功能的改变,需要进行各种类型的改造,如楼板开洞,柱或承重墙的托换,剪力墙开洞等。
在这些改造中,由于结构荷载、约束条件可能发生变化,受力性能也会产生相应的改变,通常原结构截面或配筋很难满足要求,因此也就存在如何最有效地进行加固的问题。
本文通过一个工程实例,对楼板开洞改造的受力情况用有限元算法进行了分析,并进一步探讨了适用的加固方法。
2 工程分析2.1工程概况某工程为现浇框架-剪力墙结构,现由于使用功能改变,地下一层楼板某一开间内拟开设—4.8m×0.6m的洞口,如图1所示。
图1 楼板洞口开设示意图2 开洞楼板变形分布示意图由图1可见,该处楼板开间为5.95m,进深为8m,而洞口长度达4.8m,且垂直于主受力钢筋大量截断,楼板承载能力大幅度削弱。
另外,洞口边缘可能出现的应力集力也会对结构产生不利影响。
因此,要实现这样的开洞改造,就应对楼板的受力情况进行全面的计算分析,并根据分析结果提出相应的加固方案。
2.2有限元分析用SAP有限元软件对该开洞结构和完全不开洞的楼板进行了弹性对比分析计算(荷载约为28KN/㎡,为参考值,主要用于对比分析)。
图2为开洞楼板的变形分布云图,图3为不开洞楼板的变形分布云图。
图3 不开洞楼板变形分布示意图图4 开洞楼板最大主拉应力分布图对比分析图2和图3可见,在同样的荷载和约束条件下,开有洞口的楼板的最大变形出现在洞口离楼板的边缘较远的一侧长边,达9.88㎜;而普通楼板的最大变形则出现在楼板跨度中心部位,为5.6㎜。
因此按弹性分析的结果,开洞楼板的挠度较不开洞楼板的挠度增加了76.4%,如考虑到楼板混凝土开裂和弹塑性性能等的影响,实际挠度增加的幅度还会更大。
另外,根据弹性分析的结果,开洞楼板的最大主拉应力较不开洞楼板增加了25.6%,这主要反映了洞口在强度上对楼板的削弱作用。
第41卷第6期2008年12月武汉大学学报(工学版)Eng ineer ing Jour nal of W uhan U niversity Vo l.41N o.6Dec.2008收稿日期:2008 05 17作者简介:张 维(1966 ),男,湖北黄陂人,博士,讲师,主要从事建筑结构安全鉴定与加固、施工管理研究.基金项目:湖北省自然科学基金项目(编号:2004A BA042);武汉市青年科技晨光计划项目(编号:20035002016 30).文章编号:1671 8844(2008)06 0075 04碳纤维加固开洞砖墙试验分析张 维(武汉大学土木建筑工程学院,湖北武汉 430072)摘要:对开洞口砖墙试件往复加载的试验结果进行了有限元分析,分别用混凝土单元和多层壳单元模拟砌体、粘结胶和碳纤维布.分析表明有限元模型能较好地揭示碳纤维加固墙体往复荷载作用下的力学性能,其中混凝土单元能较好地反映砌体应力分布、裂缝分布及材料压碎状况,多层壳单元能有效模拟碳纤维布及粘结胶的层理构造、交叉重叠,并能直观描绘各层材料的应力分布状况,对试验研究及工程实践均有重要意义.关键词:砖墙;碳纤维布加固;有限元分析;试验研究中图分类号:T U 362 文献标志码:AExperiment and analysis of CFRP strengthenedbrick walls with openingsZH ANG Wei(Scho ol o f Civil and A r chit ectur al Eng ineering ,W uhan U niver sity,Wuhan 430072,China)Abstract:Carbon fiber reinforced polym er (CFRP)is currently all simulated w ith membrane elements in finite element analyses o f CFRP streng thened str uctures ignoring adhesive thicknesses and layer con structions of CFRP and adhesive glue,w hich differs g reatly from the real construction and is improved substantially.The finite element analyses are done of the ex perimental o utco mes o f the br ick w all mem bers w ith openings under recipr ocating horizontal loads simulating masonry,adhesive and CFRP w ith concr ete and lam inate shell elem ents respectiv ely.T he analyses sho w that the finite element models can disclose w ell the mechanical perfo rmances of CFRP strengthened w alls under reciprocating ho rizontal loads;the concrete elements in the models can depict w ell maso nr y stresses,cracks and cr ushing;and the lam inate shell elements can effectiv ely sim ulate the lay er constructions,cr ossing and overlapping,and depict str aig htforw ardly stresses in each layer of adhesiv e and CFRP.T he analyses are sig nificant fo r both the ex perim ental researches and pr oject constructions.Key words:brick w alls;CFRP strengthening ;finite element analysis;ex perim ental research 许多砌体建筑需进行墙体加固维修,碳纤维布(CFRP)以其重量轻、厚度薄、高强度、耐腐蚀、易于施工等特性日益得到广泛应用.目前国内外这方面研究还很不完善,远不能满足工程实践需要[1].碳纤维布加固砌体结构的有限元分析目前处于起步和探索阶段,许多问题有待解决,但由于其经济、快捷、方便、适用面广、对试验具有较大的指导和帮助作用等决定了它具有广阔的前景,开展这方面的研究具有重大的理论和现实意义.本文结合试验成果对CFRP 加固砖墙有限元分析方法进行了有益探索,并首次将多层壳单元应用于碳纤维布加固砖墙,取得了一些创新性成果.武汉大学学报(工学版)第41卷1 试验研究加固试件见图1,碳纤维布双面粘贴,幅宽150 mm,厚0.111m m,墙体采用实心粘土砖和混合砂浆砌筑,顶梁及构造柱采用C20混凝土,一级钢.对比试件除了未粘贴碳纤维布外,其余与加固试件相同.1.1 加载制度本文按照 建筑抗震试验方法规程(JGJ101 96)[2]的加载方法对试件进行拟静力试验,加荷速图1 碳纤维布加固试件(单位:mm)度控制在30~60kN/s.墙体垂直荷载在试验前按0.6M Pa一次加足.试验开始时,首先施加40kN水平荷载,反复加卸载2次,以检查仪器运转情况.正式加载时,采用逐级加荷方法,开裂前按荷载控制,每级按20kN递增,开裂后按位移控制,每级增加1 c(墙片的开裂位移).达到极限荷载后,继续按位移控制,每级增加2 c,直至墙体丧失承载能力.1.2 试验结果由对比试件试验过程可以看出,带构造柱开门洞墙体容易在门洞角部及宽墙肢中部形成裂缝.破坏呈现出剪切破坏特征,尤其是宽墙肢部分最为明显.宽墙肢部分粘贴的!X∀形碳纤维布对墙体承载能力和变形能力的提高起到了明显的效果.加固后试件破坏形态仍然为剪切破坏.加固后墙体开裂推迟、承载力提高.开裂荷载提高了42.9%,极限荷载在正向加载时提高了25%,反向加载时提高了36.1%,说明碳纤维布加固对提高带构造柱开门洞墙体的承载能力是有效的.开裂时加固试件位移提高44.4%,比较明显.加固后墙体的滞回环包围的面积较大,表明碳纤维布加固后墙体的耗能能力明显增强,变形能力得到很大的提高,抗震性能得到很好的改善;一个循环的耗能系数可提高10%左右,墙片的耗能性能有很大的提高.综上所述,碳纤维加固后墙体的各项抗震性能指标均得到明显改善,尤其是延性与耗能能力提高显著,证明碳纤维布用于墙体的抗震加固有效.2 有限元分析目前有限元分析大多用膜单元模拟碳纤维布的加固作用,忽略碳纤维布与砌体间粘结胶的厚度及粘结胶的变形,与加固试件实际构造差异较大.本文首次将多层壳单元用于碳纤维布加固砖墙有限元分析.该单元既可模拟粘结胶和碳纤维布的层理构造,又可保留膜单元受拉不受压的布特性,因此比膜单元有明显优势.同时,通过设定不同的层数、截面各层不同局部坐标方向可较好地模拟碳纤维布重叠交叉问题.2.1 有限元模型为便于比较分析碳纤维布的加固效果,排除单元划分对有限元分析结果的影响,对比、加固试件均采用相同的体单元模型,加固试件碳纤维布面单元由其下的体单元映射划分,因此,对比、加固试件有限元模型均如图2所示.图2 有限元模型对比及加固试件所用砖抗压强度均值为f1=6.53M Pa,砂浆抗压强度均值为f2=1.922M Pa, 76第6期张 维:碳纤维加固开洞砖墙试验分析砌体抗压强度均值为f m=0.78#f0.51(1+0.07)= 2.26MPa,抗拉强度均值为f tm=0.141f0.52= 0.195M Pa[3].砌体轴心受压应力 应变图峰点应变为 0= 3.8#10-3,极限应变为 u= 1.6 0=6.1 #10-3,弹性模量E=351.9f1.5m=1196MPa[4,5].砌体采用多线性随动强化模型,其中=(1-e-460 f m)f m[5].顶梁混凝土弹性模量E c= 1.8#104M Pa,泊松比为0.2,峰点应力f cmk=18.5M Pa, 0= 0.002, cu=0.0033,f tk=1.75M Pa.混凝土轴心受压采用文献[6]本构模型.钢筋混凝土及砌体体单元均采用混凝土单元,该单元能较好反映材料开裂及压碎特性.钢筋弥散于混凝土中.考虑到加固设备对试件顶部的约束作用,对模型顶部节点予以耦合.碳纤维布和粘结胶采用多层壳单元模拟,该单元能较好模拟碳纤维布和粘结胶加固后的层理构造,建模时仍赋予碳纤维布正交线弹性材料属性,该属性能较好反映碳纤维布纤维丝单向受力正交异性的材料特点.因各向同性弹性材料属性忽略了粘结胶的抗拉强度,有限元分析时可能会出现其应力超出其抗拉强度现象,因此,粘结胶采用双线性随动强化模型.试验中未发现粘结胶受拉破坏,双线性随动强化模型类似于混凝土结构设计规范基本假定中钢筋的双折线模型,既保证粘结胶应力不超过其抗拉强度,又保证粘结胶不发生受拉破坏,与试验一致.碳纤维布为正交异性材料,沿纤维丝方向弹性模量E x=3#105M Pa,另外两个方向弹性模量为0,输入足够小的量1,即取E y=E z= 1M Pa,同样取剪切模量G xy=G yz=G zx=1M Pa,泊松比取为0,极限抗拉强度为3515M Pa;粘结胶极限抗拉强度为33.51M Pa.粘结胶弹性模量为6000MPa,泊松比为0.25[7].一般多层壳单元分两层,底层为粘结胶,顶层为碳纤维布,但在两条碳纤维布交叉处则应有4层材料,有2种方法可以解决这一问题.一种是在该位置同一组关键点上再建新面,即两面共线共点,在这两个面上分别设2个两层壳单元,采用不同的局部坐标系规定2个单元碳纤维丝不同的方向.另一方法是直接在Ansys前处理器的截面菜单设置4层壳单元,用局部坐标系规定下层碳纤维布碳纤维丝方向,在此基础上将上层碳纤维布碳纤维丝方向旋转所需的角度.后一种方法更便捷,本文即采用此方法.当斜向和竖向碳纤维布重叠时,斜向碳纤维布置于下层;当竖向和水平碳纤维布重叠时,水平布置于下层.砌体、砖、砂浆及钢筋混凝土多轴应力状态下的失效判据为F/f c-s∃0,其中F为主应力函数, s为破坏面,f c为单轴抗压强度.如果满足上述判据,材料将开裂或压碎.2.2 有限元计算结果及分析对比、加固有限元模型破坏时位移分别为3.45、3.78mm,最终收敛荷载分别为166、188.1kN.对比、加固试件破坏时位移分别为8.4、16mm,破坏荷载分别为196、250kN,和有限元分析结果有一定差异.除试验设备和试验操作人为因素外,有限元分析采用静载而试验为拟静载.Ansys没有专门适合于砌体的单元,因此用混凝土单元模拟砌体.有限元模型不能模拟砌体开裂后剪切滑移变形,该变形占总变形的比例较大,因而模型的变形能力明显低于实际试件.由于诸如施工质量等诸多因素影响,加之砌体是一种复合材料,离散性较大.许多学者提出了不同的砌体材料本构关系模型,而这方面的研究还有待进一步深入[5].以上这些因素都会引起试验和有限元分析间的差异.如图3所示,荷载较小时,4条曲线基本重合;荷载为60~155kN时,对比试件有限元模型切线刚度低于试验值,为155~166kN时,二者基本相等;位移为0.35~ 1.2mm时,加固试件有限元模型切线刚度低于试验值,为1.2~ 3.78mm 时,二者基本相等.由于不能模拟剪切滑移,有限元模型曲线没有比较平缓的下降段,有限元分析和试图3 位移 荷载曲线验结果都表明,碳纤维加固能明显提高墙体承载力和极限变形能力.由于弯矩的影响,加固前后构造柱最大主拉应77力均位于左下部,且明显大于砌体,对试件力学性能的改善作用明显.碳纤维对砌体应力起到扩散作用,因此加固后砌体应力分布更趋均匀,应力集中减少,从而改善其受力性能.加固后试件混凝土外框应力增大,其作用得到更充分发挥.对比试件门洞左上角主拉应力较大,证明沿门洞周边加固的必要性.图4为加固试件主拉应力云图.墙体裂缝大多倾斜,表现出一定的受剪特征.加固砌体开裂单元和压碎单元数均多于对比试件,说明加固后砌体受力更均匀,相同荷载作用下裂缝更细密,砌体材料强度得到更充分利用.由于钢筋混凝土各种力学性能指标均优于砌体,因此,试件破坏时虽然钢筋混凝土外框应力较大且局部开裂,但仍能保持一定的整体性,对砌体仍有一定的嵌固作用,对提高墙体的承载力、极限变形及抗震性能具有显著效果.图5为加固试件开裂及压碎图.图4 加固试件主拉应力(单位:M Pa)图5 加固试件开裂及压碎图加固试件粘结胶和碳纤维布最大主拉应力分别位于门洞右侧和十字交叉点附近,表明沿门洞周边和右墙肢粘贴碳纤维布都能起到一定的加固效果,其中十字交叉碳纤维布加固作用更大.因为粘结胶是各向同性材料而碳纤维布正交异性,门洞右侧节点最大应变方向与该处碳纤维丝方向不同,即该处最大应变方向不沿竖直方向,所以,虽然该处节点应变最大,粘结胶应力最大,且粘结胶和碳纤维布单元共结点,但此处碳纤维布应力不是最大,因此粘结胶和碳纤维布最大应力不在同一位置处.图6为碳纤维布主拉应力图.图6 CFRP 主拉应力(单位:M Pa)碳纤维布抗拉强度为3515M Pa,但由于砌体强度较低,因此碳纤维布强度远未得到充分利用,有限元分析发现其最大主拉应力仅694M Pa.粘结胶抗拉强度为33.51M Pa,得到较为充分的利用,其最大有限元计算主拉应力为27.9M Pa.3 结 论1)试验表明碳纤维加固能大幅提高墙体的承载能力、变形能力及抗震性能.2)有限元分析同样证明了碳纤维加固对提高墙体的承载能力和变形能力的有效性.3)多层壳单元能较好模拟碳纤维布及粘结胶的层理构造以及碳纤维布的交叉重叠.4)有限元分析表明钢筋混凝土外框能显著改善墙体的力学性能.5)有限元分析能指导加固方案的制定和加固材料的选取,从而提高试验的有效性和经济性.6)用混凝土单元模拟砌体墙及钢筋混凝土梁、柱能较直观地反映各单元裂缝分布及压碎情况.通过首次将多层壳单元用于碳纤维布加固砌体结构的有限元分析,发现多层壳单元和混凝土单元能较好模拟碳纤维布加固墙体试件的实际构造、揭示实际试件的力学性能、得出有价值的科研成果,对试验方案的拟定、试验材料的选取、试验计划的实施和试验成果的分析都有着重大的指导意义.(下转第82页)4 讨 论弧长法的收敛性和其各种参数的取值有很大关系,应根据不同的问题来调整取值.求解一般来说当要准确跟踪极值点(如屈曲荷载)时,宜选用位移控制的弧长公式,即式(2)中!取小于1的值或0,因为在极值点附近,荷载增长很慢而位移增长快.另外,同柱面弧长法相比:1)切面弧长法在计算后继迭代步的荷载增量因子时,省去了因求解一元二次方程需要对根进行判断和舍弃的麻烦,提高了求解效率且简化了编程;2)切面弧长法采用切面代替柱面的做法,使增量步中同样的起始弧长有更大的!跨度∀,更容易越过平衡路径的极值点.为了获得较好的计算效果,通过对迭代过程中增量步内刚度的变化来调整弧长(在近似线性阶段加大弧长,在非线性较强阶段减小弧长),使增量步的分布比较合理,提高了求解效率.参考文献:[1] 罗永峰,滕锦光,沈祖炎,等.确定结构分支点及跟踪平衡路径的改进弧长法[J].同济大学学报,1997,25(5):502 507.[2] 朱菊芬,初晓婷.一种改进的弧长法及在结构后屈曲分析中的应用[J].应用数学和力学,2002,23(9):961 967.[3] 王勖成,邵 敏.有限元基本原理和数值方法[M].第2版.北京:清华大学出版社,1997:514 515.[4] Berg an P G,H o rr igmo e G,K rakeland B,Sor eide TH.So lutio n techniques for nonlinear finite elementpro blems[J].Internatio nal Jo ur na l of N umer ical M etho ds in Eng ineering,1978,12(11):1677 1696. 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