FRP片材加固砌體抗剪性能研究

程海濤 柳學花

采用FRP(Fiber Reinforced Plastic/Ploymer)片材對砌體進行抗震加固是近年來新興的一種加固方法。目前國內外已發表了不少有關纖維增強復合材料加固砌體結構方面的文章，絕大多數研究成果是通過試驗研究得到的。由于受試驗條件和經費的限制，試驗所能提供的信息是有限的。有限元法為研究FRP加固砌體結構受力性能提供了一種有效工具。本文利用有限元程序對纖維片材加固前后磚砌體墻片建立有限元分析模型進行分析，并與已有的試驗數據進行對比，以研究加固前后墻片的工作性能和內部應力分布情況。

1 FRP片材加固砌體的有限元模型

1.1 單元類型選取

砌體是由塊材和砂漿兩種性質完全不同的材料組成的，這使得砌體表現出復雜的性質。如何考慮兩種材料的關系，是正確分析砌體結構的關鍵。一般有把塊材和砂漿分開考慮、整體式考慮兩種方法。本文采用第二種方法。磚砌體采用Solid65單元，纖維片材采用Shell41膜單元，混凝土頂梁和底梁選用Solid45單元。

1.2 本構關系

磚砌體墻片的本構關系采用朱伯龍提出的砌體受壓應力—應變關系表達式:受拉時應力—應變關系基本上是線性的，達到極限應力 ft后，強度迅速降低，砌體破壞。

根據纖維片材的材料特性，可以假定纖維片材是一種理想彈性材料，應力—應變關系曲線始終是直線，采用彈性應力—應變關系。

1.3 墻體模型及網格劃分

2 有限元計算結果及分析

有限元分析未加固墻體wall-1，五條CFRP加固墻體wall-2和五條GFRP加固墻體wall-5的極限荷載分別為:160 kN，230 kN，210 kN。有限元分析結果與試驗值對比如表1所示。

表1 有限元分析結果與試驗值對比表

從表1中可以看出，計算值都低于試驗值。未加固墻體的極限承載力有限元分析值比試驗值約小14%，五條碳纖維布加固墻體的極限荷載有限元分析值比試驗值約小17.5%，五條玻璃纖維布加固墻體的極限荷載有限元分析值比試驗值約小12.3%。二者差異的原因為:實際中砌體材料具有很大的離散性，有限元分析時沒有考慮粘結層的作用，試驗時測得的數據本身有一定的誤差。

盡管存在計算誤差，但仍然可以通過有限元計算結果定性分析加固前后墻體的受力性能:采用纖維布加固后墻體的應力分布較未加固墻體均勻;在相同的水平側力作用下，纖維布加固后墻體的變形小于未加固墻體的，經纖維布加固后墻體剛度的降低得到延緩，裂縫得到抑制，并且較分散;墻體和纖維布的角部及墻體中部裂縫較密，加固設計中可對該部位采取加強措施。

3 結語

通過利用所建立的有限元模型，對未加固墻片及五條10 cm寬碳纖維布和玻璃纖維布分別加固的砌體墻片進行了受力分析，通過分析發現:采用纖維布加固砌體結構是行之有效的方法;纖維布加固后墻體的極限承載力有了明顯的提高，碳纖維布的加固效果優于玻璃纖維布的。有限元分析結果與試驗分析結果相一致，說明所建立的有限元模型對纖維增強復合材料加固砌體結構的有限元分析是適用的。

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