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\\)極易成為戰爭攻擊和恐怖襲擊的目標,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 年美伊戰爭便是從美國空襲薩達姆當局領導層所在的總統府開始的;而"9-11"事件在造成巨大的人員傷亡和財產損失的同時,也使其民眾人心惶惶.另一方面,通過對海灣戰爭中敘利亞有無填充墻的建筑受導彈攻擊后倒塌規模的對比[2]和五角大樓遭到襲擊后長時間保持穩定[3]可知,具有一定結構冗余度的建筑物能夠有效地阻止倒塌蔓延,降低結構破壞范圍.連續倒塌作為一種極端的倒塌形式,是指結構在局部構件受到偶然荷載\\(如戰爭攻擊、恐怖襲擊、汽車沖擊等\\)發生倒塌后造成內力重分布,致使相鄰構件接連失效,最終發生大面積、整體性的倒塌.

隨著攻擊制導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構冗余度亟待加強,以提升其抗連續倒塌能力.FRP\\(Fiber Reinforced Ploymer\\)是一類應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構抗連續倒塌性能進行對比,探尋最優方案.

2 研究綜述

鋼筋混凝土抗連續倒塌相關研究主要包括分析連續倒塌工程事故、通過結構倒塌過程試驗總結力的轉換機制、探尋連續倒塌機理和提出設計方法等方向.英國、歐盟、美國、加拿大等均有自己比較完善的抗連續倒塌規范.抗連續倒塌設計不同于一般結構設計的地方在于其對結構構件的延性提出了更高的要求,且容許結構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構,為考慮動力效應,在拆除構件法中,當采用非線性靜力分析和變形控制時,應采用以下的荷載組合:

其中 為荷載放大系數,D 和 L 分別為恒載和活載.

FRP 常用于結構構件的抗彎、抗剪和抗壓加固,抗連續連續倒塌加固的目的是為了提升構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]通過試驗發現 GFRP 加固后構件的延性幾乎是 CFRP 的 2.5 倍.目前文獻中對 CFRP 和 GFRP加固鋼筋混凝土結構抗連續倒塌對比的相關研究較少見.

LS-DYNA 可以模擬結構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對比,發現新增的 CSCM 模型適合應用在結構倒塌分析領域,并校正了相關材料參數.Jin-WonNam[8]等人對比四種不同的 FRP 布有限元模型,發現正交異性線彈性模型更適合運用在其對混凝土結構加固的模擬上.

3 算例

3.1 試件設計

本文設計了一棟五層鋼筋混凝土框架結構\\(如圖 1 所示\\),并沿底層縱向取出兩跨一層的梁柱框架子結構,假設其中間柱已經失效.梁柱縱筋均采用 HRB400,箍筋采用 HPB300,并按照規范規定[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場試驗提供理論支持.

為了探究 FRP 對提高其抗連續倒塌性能效果最佳加固形式,本文綜合考量其經濟性和加固效果,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應力集中,在中間柱頭上方設置一塊加載墊塊,使用 SOLID164 單元類型和剛體材料本構\\(*MAT_RIGID\\),結構與地面\\(剛體\\)連接[9].

為證實有限元模型的準確性,本文對湖南大學易偉健等人的平面框架連續倒塌試驗\\(圖 3a、圖 3c\\)[10]

進行模擬,建立了如圖 3b 所示的有限元模型,再現了結構的倒塌過程,通過中柱位移軸力曲線\\(圖 3d\\)和豎向水平位移曲線\\(圖 3e\\)均可以看出模擬結果有明顯的彈性、拱效應和懸鏈線效應發展階段,且與試驗結果接近.

3.3 加載

因相關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束階段速度不會過大,采用余弦函數進行加載,并關閉混凝土應變率開關.通過觀察對比能量平衡結果,發現其動能均極小,可以忽略.

3.4 結果比較

3.4.1 破壞特征比較

FRP 加固后的框架子結構有限元模型分別有如圖 4 所示的三種破壞形態.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揮了拉桿效應.環形箍和 U 形箍可以阻止 FRP 的迅速剝離.

3.4.2 數據對比分析

通過觀察圖\\(5a\\)所示位移荷載曲線可以發現,各試件隨著位移增加均呈現出明顯的彈性變形、拱效應、拉壓轉化和懸鏈線效應階段.中柱位移在 20mm 以內為彈性階段,各曲線差別極小,說明此時 FRP 發揮的作用均有限;而到了拱效應階段,A、C 處 FRP 由于發生脆性斷裂,沒有起到明顯拉桿效果,CLZ3 和 GLZ3在拱效應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,有助于發揮結構拱效應;中柱位移在 200mm 左右,結構進入懸鏈線階段后,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 荷載設計要求,結合破壞特征推測,FRP 在此階段分擔了一部分拉軸力,中柱位移到了 300mm 左右后,C 點、A 點鋼筋相繼發生斷裂,結構也逐漸喪失了承載能力.可將 C 點鋼筋斷裂作為結構懸鏈線階段的結束,結構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現,GLZ3、CLZ3 的中柱位移更大,說明其結構延性更好,能夠經受住更大的撓度變形.

各方案輸出的結構總能量與中柱位移\\(圖 5b\\)可知,在彈性階段,各試件耗能并沒有明顯區別;到了200mm 左右\\(結構進入了懸鏈線效應階段\\),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 在構件發生大變形時分擔了部分的耗能任務.

4 結論

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構進行了模擬分析,直觀地重現和模擬鋼筋混凝土結構發生大變形時的倒塌破壞過程.通過對比較不同破壞階段 FRP 發揮的作用,可以得到如下幾點結論:

1、合理粘貼 FRP 可以明顯提高構件的延性,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\\)可以充分發揮框架梁的懸鏈線效應,提高結構延性和耗能能力,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 抗連續倒塌規范設計荷載,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構的抗連續倒塌性能;
3、分析破壞形態可以發現在截斷處采用 U 形箍或環形箍錨固可以有效阻止 FRP 剝離的蔓延,更好發揮其抗拉性能.

參考文獻:

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