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砌体结构力学性能对纤维增强聚合物FRP加固砌体填充钢筋混凝土框架在循环荷载作用下性能的影响
巴蒂卡先生，F. Alkam
阿拉伯叙利亚共和国大马士革大学土木工程系结构系
关键词：砌体填充框架纤维增强筋有限元分析，循环荷载
砌体墙在侧向荷载作用下会显著改变填充框架结构的受力性能。因此，为防止砌体填充墙中可能出现的脆性坍塌，进行了许多尝试和试验，在此基础上，采用纤维增强聚合物作为一种新技术。然而，以往的研究主要集中在纤维增强聚合物本身上，而不考虑砌体墙体的力学性能对其修复方式的影响。因此，这种修复影响才是本研究的主要目标。
有限元法是在这项研究工作中使用物质非线性分析方法，是为了更准确地考虑钢筋与混凝土之间的非线性粘结，同时考虑框架填充物与边界框架构件之间的滑移。本研究探讨了混凝土砌块墙体的力学性能会显著影响纤维增强聚合物在低强度砌体或高强度混凝土中的使用效率，从而导致纤维增强聚合物修补不划算。
1、引言
世界各地的地震已经表明了重建现有建筑物的重要性，尤其是那些在现代抗震设计规范颁布之前已经建造的建筑物。钢筋混凝土填充墙、预制板、钢支撑、混凝土护套等钢筋混凝土框架结构已有许多传统的加固方法。而最近的研究人员致力于开发新的方法，这方法应该具有可行性和易于安装与经济使用等特点。研究表明，填充砌体墙对裸框架响应侧向平面载荷有显著影响，因为它们将结构作用变为轴向作用而不是挠曲作用。
填充墙砌体的出现产生了短柱破坏、软层破坏和扭转破坏等新的破坏模式。通常，这些破坏模式没有考虑到结构设计。另一方面，SATAR和CISRAFURE等人通过研究得出结论：砌体填充钢筋混凝土框架提供了比裸框架多100%的基础剪力。因此，Murty和耆那教和比尼奇等人建议考虑填充墙对框架剪力的贡献，特别是这些东西已经存在，并为现有脆弱建筑物的抗震修复提供了更为现实的观点。Paulay和普莱斯利提出砌体填充框架在侧向位移作用下表现为桁架结构，砌体墙体产生斜撑单元，并且提出该等效支撑单元的宽度是考虑砌体墙对角线长度的五分之一。这种情况下填充框架的失效模式表现出非延展性行为。因此，建议对砌体填充墙进行改造。
最近，纤维增强聚合物已经成为现代修复框架结构的替代物之一，因为该材料具有许多优点：例如高强度与重量比较小、柔韧性较好和易于在现场切割和成形。许多研究人员已经通过实验研究了使用纤维增强聚合物加固填充墙的效率。观察到加固填充墙的多层框架达到与剪力墙相似的阻力效果。然而，纤维增强聚合物改造显示出有限的延展性相比，应该使用钢筋混凝土墙替代。此外，加固试件的强度退化超过峰值的现象更为明显。造成这种现象的主要原因是玻璃纤维在拐角处突然脆断从而使其超过峰值。
科学家已经做了许多实验来提高纤维增强聚合物加固砌体的承载力和延性。例如，由YukSet和OZKYNAK等人通过实验证明，十字菱形支撑型式的改造方案是一种成功的技术，与其它类型相比，具有更高的抗剪强度。结果表明，这种修补方式防止了在侧向荷载作用下裂缝开始处对墙角的破坏。此外，ALTIN等人通过将碳纤维增强聚合物条带宽度从0.13dW增加到0.20dW，其中DW是填充对角线长度，研究表明其刚度提高了50%。
纤维增强聚合物材料不考虑砌体性能对层合板使用效率的影响。因此，砌体强度本身的影响是本研究的主要目的，其中采用有限元法进行材料非线性分析来检查砌体填充框架在反复荷载作用下的行为。
2、数值模型
利用ABAQUS 612—1/S法对碳纤维增强聚合物片材加筋混凝土砌体配筋钢筋混凝土框架进行了非线性有限元分析，把试样暴露于框架顶部的进行反向循环位移。
2.1。模型几何与材料
在目前的数值模拟中，框架是一个1/3层的一个尺度，几何尺寸和加固细节与OZKYANAK等人研究测试的相同。标尺框架尺寸为1533times;1400 mm，柱截面尺寸为100times;200 mm，梁截面尺寸为100times;200 mm，地基尺寸为400times;700 mm。混凝土的平均圆柱形抗压强度为19 MPa，柱和梁的纵向配筋率为1%，横向配筋率为0.4%。研究实验可以看出，梁柱连接中没有箍筋是不能满足普通抗弯框架的抗震性能。空心砌块材料的尺寸为88times;84times;57 mm，另一方面，奥兹凯纳克等人通过压缩和剪切试验，测出砌体裸试样在两个主要方向上抗压强度分别为5MPa和4.1 MPa，剪切强度为0.95 MPa，采用单向碳纤维增强复合材料，弹性模量为230 GPa，抗拉强度为390.0 MPa，极限伸长率为1.5%。
图2探讨了两种强化技术：在FW、FRP标记的现有填充块上标记为150毫米宽度的FW和纤维增强聚合物层压板的填充块。
2.2材料本构模型
2.2.1准脆性材料本构模型（混凝土砌块和混凝土砌块）
混凝土和混凝土砌块都采用混凝土损伤塑性模型进行建模，该模型可用ABAQUS标准。混凝土损伤塑性模型认为主要的两种破坏机制是拉伸开裂和压缩破碎，屈服面或破坏面的演化是由两个硬的材料的拉伸和压缩等效控制的。
图3（a）和4（a）表明，当循环载荷反向时，混凝土损伤塑性模型假定材料的弹性刚度在达到极限强度后会被降解。弹性刚度的退化是由两个损伤变量DT和DC来描述，它们可以从零代表零老化材料的值到一个峰值对应于总的强度损失。
在拉伸中，CDP方法将破裂后的行为指定为裂纹应变EKE的函数，其可获得如下，其中，EOT＝Rt＝EO，并定义为破坏与未破坏材料和ET对应的弹性拉伸应变为总应变。
然后，拉伸等效塑性应变EPL可以从以下评价：
类似地，混凝土损伤塑性模型指出，在压缩中，行为材料与非弹性应变KE有关，这可以与拉伸行为相同。
其中，RC＝EO和EC分别为弹性和总压缩应变，实验检测到框架弹性的一些恢复。
刚度发生，因为负载是在单轴循环试验中返回的。当载荷从拉伸变化到压缩时，这种效应通常更加明显，从而导致拉伸裂纹闭合时的压缩刚度恢复。同时，随着荷载从压缩到拉伸，拉伸刚度没有恢复。混凝土损伤塑性模型利用刚度恢复因子在拉伸和压缩下模拟这种行为，在ABAQUS中分别采用WT 0、WC 1这两种方法。
另一方面，混凝土损伤塑性模型通过使用弹性模量、泊松比、塑性损伤参数和压缩和拉伸行为的描述。得出塑性损伤参数为膨胀角、流动势偏心率、初始等轴压缩屈服应力与初始单轴屈服屈服应力的比值、拉伸子午线上第二应力不变与压缩子午线和T压缩应力的比值，他定义了粘塑性正则化的广义参数。在没有先进的材料测试的情况下，这些参数的值采用ABAQUS文献，分别把参数设为36°、0.1、1.16、0.66和0.7。
此外，还需要精确地描述材料的应力-应变曲线。因此，在BSN 1992—1-1中所用的混凝土应力-应变曲线模型被用于单轴受压混凝土，假定混凝土的抗压响应是线性的，直到应力达到大于40%的最大混凝土抗压强度的值时候，直到材料达到对应于EC1应变的F cm时，材料响应变得无弹性。然后，应变软化到混凝土达到挤压应变0.0035。弹性模量ECM和泊松比的具体模量根据BS EN 1992—1-1文献得到分别为26.7 GPa和0.2GPa，将应力-应变拉伸响应建模为线性弹性，直到获得最大拉伸应力f CTM，然后，在钢筋屈服应力下，应力线性减小到零。
用同样的方法，从B.EN 1996—1-1中导出了来自克里特岛砖石结构的压缩本构模型，得出这种关系是线性的，直到最大抗压强度F的33%，然后，它变得无弹性直至达到最大应力F，对应于应变ETU等于0.0019，此后，压缩应力减小，直至材料在应变EMU为0.0035时被压碎。由EurCODE6得出提供的弹性模量（EM）为5 GPa（EM＝1000 F），与混凝土相同，砌体的受力性能线性地与最大张力F应力（0.95 MPa）线性相关。然后材料被线性直到应变破坏等于FT的弹性应变ETU的10倍（ETU＝ft/EM），这是由ABAQUS文档修正得出的结论。
2.2.2 钢筋的本构模型
为了获得钢筋的准确性能，在纵向钢筋和横向钢筋的拉伸和压缩中采用弹性-理想塑性模型。屈服强度、弹性模量和泊松比分别为420 MPa、200 GPa和0.3。
2.2.3 . 碳化纤维增强聚合物层压板本构模型
选择完全弹性的行为来表示碳纤维增强聚合物层压板的性能直至破坏点，泊松比被认为是0.35。
2.3材料界面模型
2.3.1埋入式钢筋-混凝土界面
使用CEB-FIP文献中定义的原则模拟从而嵌入钢筋与混凝土之间的理想界面，该原理考虑了图8中所阐明的粘结滑移效应。用下列方程计算拉拔失效时候的粘结应力作为位移位移的函数：其中，SMAX、SF分别是N/MM2失效时的最大粘结应力和粘结应力面积。然而，S1、S2、S3和A的值分别被认为是1.8、3.6、10毫米和0.4毫米。
2.3.2.砌体-碳纤维复合材料界面
OBAIDAT研究的结论是：在粘结过程中捕获粘结破坏是重要的，从而导致相互作用的粘结表面的破坏和分离，以表示砖石/混凝土和碳纤维复合材料层合板之间相互作用的可靠界面行为。CEB-FIP有一个坚固的外部粘结纤维增强聚合物材料FRP加固本构模型，显示模型参数与铰接接头断裂能GF之间的关系以及CFRP与砌体/粘结滑移的关系。图9示出了使用下列方程表示的模型双线性曲线：
Sm＝Sm＝0times;6 s 6 Smtimes;12
Sm Sm Sm＝SU Sm，Sm 6 S 6 SUtimes;13
其中，Sm是N/MM2中的最大粘结应力，Sm是最大粘结应力的滑移，在MM和SU中是在切面处的滑动滑移。
CEB-FIP推荐SU值为0.225毫米。同时，Sm和GF的值使用以下公式计算：
其中F是砌体/混凝土（N/MM2）实验中的拉伸破坏应力。
2.4有限元网格
利用平面应力状态了解和认识填充框架的问题，采用四节点双线性、沙漏控制单元的简化积分对混凝土、混凝土砌体墙和纵向钢筋进行网格划分。其中，沙漏控制单元在每个节点上有两个位移。另一方面，利用T2D2桁架单元来模拟箍筋和CFRP层合板，T2D2对于碳纤维增强聚合物CFRP板的建模是足够的，因为弹性模量通常在平行于纤维的方向上比垂直于纤维方向高得多，用非线性弹簧单元模拟了相邻材料之间的界面关系。
2.5.模拟RC框架-砌体墙之间的接触
选择表面和表面的接触对以产生填充墙和边界钢筋混凝土框架之间的相对运动，在接触表面上产生的剪切力和法向力呈线性关系。它们在表面边界之间形成摩擦力，其摩擦系数L取值为0.4，当剪切应力达到最大值时，接触面开始产生相对滑动。
2.6横向荷载的方案
图10表示的反向循环侧向位移应用于钢筋混凝土梁平面上的所有模型，为了适应OZKYANAK等工作中的典型位移方程，采用渐增位移plusmn;22 mm，相当于在实验中渐增plusmn;2.7%漂移。
2.7数值模型验证
通过网格收敛性研究表明，30times;30 mm的有限元尺寸足以在合理的分析时间内提供准确的结果。图11示出了砌体填充钢筋混凝土框架和加固钢筋混凝土框架的数值模型。
为了保证实验模型的准确性，Ozkaynak等科学家根据FEMA 356公式估算试验模型的承载能力。结果表明，填充框架的整体抗剪强度为71 kN，而实验一获得的整体抗剪强度为80 kN。在同实验中，填充框架的整体抗剪强度FEMA和试验侧向承载能力分别为106, 120 kN。
图12显示出了当前数值模型的结果与OZKYANAK等人获得的实验结果之间的实验结果比较。其中，数值模型与实验环路的关系可以得到很好的一致性。实验工作结果记录了实验产生了92 kN的最大基底剪力，然而，通过实验研究得到了94 kN，实验模型侧向承载能力的相对差值为2%。当位移d＝2times;5mm（0.31%的漂移比）和70 kN的基底剪力时，由于柱的顶部和底部形成塑性铰而发生刚度下降。结构实验在第15 mm（1.9%的漂移比）中对应于填充墙中的第一对角裂纹的发展（图12C）可以看到明显的阻力下降。
另一方面，在当前数值分析结束时可以观察到两个对角裂纹路径的完成，从而提供与实验相同的失效模式。值得一提的是，42 kN的基础剪切力是通过裸框架的数值分析获得，在每个柱的末端形成塑性铰时得到，这意味着填充砌体墙的承载能力提高了124%。
同样，数值模型从而也得到了验证。图13给出了实验循环环与当前数值包络的关系，其中，实验表明，与分析值121 kN相比，132 kN的最大基底剪切力（实验模型基底剪力的相对差值为8.9%），在2.5 mm的位移和100 kN的基础剪切中，观察到在柱的顶部和底部形成塑性铰，并且裂纹向邻近层压板的砖石壁传播，这使得刚度减小。两种模型在行为分析中的主要差异在分析阶段，特别是在位移为18 mm时，由于数值模型经历塑性，但是实验结果表明碳纤维增强聚合物CFRP层合板由于分离而导致结构全刚度的退化。这可以通过使用比测试提供的更为典型的材料行为假设来解释。然而，在分析结束时两种模型中的裂纹排列都是相同的。
3、参数化研究
3.1.参数研究的数值模型
在参数研究中，混凝土抗压强度和钢筋屈服应力分别变为25 MPa和400 MPa。同时，钢筋混凝土框架和碳化纤维强化塑CFRP层合板的材料性能和几何尺寸保持不变。采用纤维增强聚合FRP模型和FW软件，对纤维增强聚合物FRP模型进行了参数化研究。
3.2.改变砌块砌体的力学性能
为了研究砌体墙的力学性能对填充混凝土框架性能的影响，研究人员建立了两个模型。在第一个模型中，墙没有加强。然而，在第二种模型中，碳纤维增强聚合物CFRP板对砌体墙进行斜对角加固。通过改变砌块墙体的抗压强度，分别用1.7 MPa、3 MPa、5 MPa、 7 MPa和9 MPa对其进行了五次分析。
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