基于MATLAB的碳纖維布抗震加固的GUI程序設計

張雪松 葉璐挺 顧 顏

0 引言

MATLAB是一種用于工程與科學計算的高級語言,它集數(shù)學運算、數(shù)據(jù)可視化、程序編制和仿真等功能于一體。數(shù)組(向量和矩陣)是MATLAB的基本數(shù)據(jù)單元,在計算中,數(shù)組無需進行算前維數(shù)定義,只要其滿足數(shù)學運算法即可;另外,MATLAB不但包含了豐富的數(shù)學函數(shù),同時還具有適合各專業(yè)的函數(shù)工具箱。這極大的方便了教學和科學研究。

MATLAB不但是一種優(yōu)秀的數(shù)值計算、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化工具,同時還集成了高效率的圖形用戶界面(GUI)開發(fā)環(huán)境——GUIDE。GUIDE不僅能夠方便地創(chuàng)建控件對象,編寫控件對象的回調(diào)函數(shù),而且還能方便地實現(xiàn)控件對象間的數(shù)據(jù)交流。

當建筑結構由于材料強度降低、功能改變、設計失誤、施工不當、規(guī)范修訂等原因使結構不能滿足功能要求時,為了不推倒重建,就必須對該建筑進行加固。碳纖維布(CFRP)在鋼筋混凝土構件的加固中使用日益廣泛,目前存在兩種常用的CFRP抗震加固設計方法,一種是先出現(xiàn)的基于CECS 146∶2003碳纖維片材加固混凝土結構技術規(guī)程 (以下簡稱“規(guī)程”)的設計方法,一種是后出現(xiàn)的基于GB 50367-2006混凝土結構加固設計規(guī)范(以下簡稱“規(guī)范”)的設計方法。

本文根據(jù)規(guī)范和規(guī)程,應用GUIDE編寫了鋼筋混凝土構件CFRP抗震加固程序Antiˉseism ic。

1 Antiˉseismic程序

采用GUIDE,設計了如圖1所示的圖形用戶界面(GUI)。界面中包含了抗震加固設計時被加固柱原有箍筋的體積配箍率計算時的信息輸入、基于規(guī)程和規(guī)范的被加固柱因CFRP環(huán)向約束的體積配箍率增量計算時的信息輸入,具體如箍筋材性信息、CFRP材性信息、加固幾何信息等,同時界面中還包含加固設計時的數(shù)據(jù)檢查、計算分析和幫助等“Push Buttons”控件。

圖1中的各板塊包含了完成CFRP抗震加固計算的所需參數(shù)。“nˉ1(nˉ2),Aˉs1(Aˉs2),lˉ1(lˉ2),Aˉcor,s”分別指構件截面的“鋼筋根數(shù)、單根鋼筋截面面積、鋼筋長度、混凝土核心面積、鋼筋間距”;“nˉcf(nˉf),wˉcf(bˉf),tˉcf(tˉf),sˉcf(sˉf),v(kˉc), b,h,fˉcf(fˉf),fˉyv(fˉyv0)”分別指CFRP的“粘貼層數(shù)、條帶寬度、單層CFRP厚度、凈間距(注:規(guī)范為“中心間距)、有效約束系數(shù)、柱截面寬度、柱截面高度、CFRP抗拉強度設計值(注:規(guī)程與規(guī)范使用不同的取值方法)、箍筋的抗拉強度設計值”。

通過分析規(guī)程和規(guī)范上柱的CFRP抗震加固計算的必要輸入信息和約束條件,程序Antiˉseismic的計算構架如圖2所示。

在“輸入/修改”加固計算的基本信息時,程序Antiˉseism ic已經(jīng)包含了基本信息的檢查功能。

為了防止用戶忽略信息檢查對話框的提示,程序Antiˉseismic在加固計算前,還需進行基本信息的物理和幾何條件總檢查,包括材性信息合理性檢查,加固信息合理性檢查,幾何信息合理性檢查等。若通過了信息總檢查,程序就自動進入加固計算階段。

在抗震加固計算中,Antiˉseism ic除給出依GB 50010-2002混凝土結構設計規(guī)范(以下簡稱“混凝土規(guī)范”)計算所得的被加固柱原有箍筋的體積配箍率,同時也給出了分別依據(jù)規(guī)程和規(guī)范計算所得的因環(huán)向圍束算得的箍筋體積配箍率增量和總量,這方便工程師的校核。

2 算例

已知一矩形框架柱,二級抗震等級,其截面尺寸為:b=500mm, h=500mm,保護層厚度為hc=30mm,箍筋采用HRB235;按混凝土規(guī)范,箍筋體積配箍率 ρv≥0.60%。原設計時加密區(qū)箍筋配置為Φ8@100,復合箍,每個方向 4肢,體積配箍率ρv=0.91%＞0.60%,滿足要求;但由于施工失誤,加密區(qū)實配箍筋 Φ8@200, ρv=0.46%＜0.60%,不滿足設計要求,現(xiàn)擬對該框架柱進行CFRP抗震加固,使其折算箍筋體積配箍率滿足要求。

根據(jù)經(jīng)驗確定粘貼1層CFRP,CFRP寬度wcf(bf)=80 mm,凈距scf=100mm,中距sf=180mm,規(guī)程約束系數(shù)v=0.45,規(guī)范約束系數(shù)kc=0.66(CFRP的有關參數(shù):厚度tcf=0.110mm,依規(guī)程方法確定的強度設計值fcf=2 800N/mm2,依規(guī)范方法確定的強度設計值ff=2 300N/mm2;箍筋的強度設計值:fyv(fyv0)=210 N/mm2)。

將上述算例中已知和假設的加固基本信息輸入Antiˉseismic后,點擊“計算與分析”按鈕,程序即給出了與加固相關的計算值:

1)原有箍筋體積配箍率:0.004 6;

2)按規(guī)程計算的體積配箍率增量:0.002 3;

3)按規(guī)范計算的體積配箍率增量:0.002 8;

4)按規(guī)程計算的折算體積配箍率:0.006 9;

5)按規(guī)程計算的折算體積配箍率:0.007 4。

該框架柱經(jīng)上述抗震加固后,經(jīng)規(guī)程和規(guī)范核算,其箍筋的體積配箍率符合要求。

3 結語

本文介紹了MATLAB圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境(GUIDE)在設計基于規(guī)程和規(guī)范的鋼筋混凝土框架柱CFRP抗震加固程序Antiˉ seismic中的運用,同時給出Antiˉseismic程序設計構架及其在滿足適用性方面的一些措施,最后通過實例對Antiˉseismic進行應用介紹。

Antiˉseism ic不但可同時給出基于規(guī)程和規(guī)范的柱抗震加固計算結果,在一定程度上減輕柱抗震加固設計的工作強度,其設計構架可以為擅長程式語言,同時對設計該類加固程序感興趣的結構工程師提供一個參考。

[1] GB 50010-2002,混凝土結構設計規(guī)范[S].

[2] CECS 146∶2003,碳纖維片材加固混凝土結構技術規(guī)程[S].

[3] GB 50367-2006,混凝土結構加固設計規(guī)范[S].

[4] MATLAB App lication Program GUIDE Reference.Math Works Inc.June,2002.