FRP片材加固砌体抗剪性能研究

程海涛 柳学花

采用FRP(Fiber Reinforced Plastic/Ploymer)片材对砌体进行抗震加固是近年来新兴的一种加固方法。目前国内外已发表了不少有关纤维增强复合材料加固砌体结构方面的文章，绝大多数研究成果是通过试验研究得到的。由于受试验条件和经费的限制，试验所能提供的信息是有限的。有限元法为研究FRP加固砌体结构受力性能提供了一种有效工具。本文利用有限元程序对纤维片材加固前后砖砌体墙片建立有限元分析模型进行分析，并与已有的试验数据进行对比，以研究加固前后墙片的工作性能和内部应力分布情况。

1 FRP片材加固砌体的有限元模型

1.1 单元类型选取

砌体是由块材和砂浆两种性质完全不同的材料组成的，这使得砌体表现出复杂的性质。如何考虑两种材料的关系，是正确分析砌体结构的关键。一般有把块材和砂浆分开考虑、整体式考虑两种方法。本文采用第二种方法。砖砌体采用Solid65单元，纤维片材采用Shell41膜单元，混凝土顶梁和底梁选用Solid45单元。

1.2 本构关系

砖砌体墙片的本构关系采用朱伯龙提出的砌体受压应力—应变关系表达式:受拉时应力—应变关系基本上是线性的，达到极限应力 ft后，强度迅速降低，砌体破坏。

根据纤维片材的材料特性，可以假定纤维片材是一种理想弹性材料，应力—应变关系曲线始终是直线，采用弹性应力—应变关系。

1.3 墙体模型及网格划分

2 有限元计算结果及分析

有限元分析未加固墙体wall-1，五条CFRP加固墙体wall-2和五条GFRP加固墙体wall-5的极限荷载分别为:160 kN，230 kN，210 kN。有限元分析结果与试验值对比如表1所示。

表1 有限元分析结果与试验值对比表

从表1中可以看出，计算值都低于试验值。未加固墙体的极限承载力有限元分析值比试验值约小14%，五条碳纤维布加固墙体的极限荷载有限元分析值比试验值约小17.5%，五条玻璃纤维布加固墙体的极限荷载有限元分析值比试验值约小12.3%。二者差异的原因为:实际中砌体材料具有很大的离散性，有限元分析时没有考虑粘结层的作用，试验时测得的数据本身有一定的误差。

尽管存在计算误差，但仍然可以通过有限元计算结果定性分析加固前后墙体的受力性能:采用纤维布加固后墙体的应力分布较未加固墙体均匀;在相同的水平侧力作用下，纤维布加固后墙体的变形小于未加固墙体的，经纤维布加固后墙体刚度的降低得到延缓，裂缝得到抑制，并且较分散;墙体和纤维布的角部及墙体中部裂缝较密，加固设计中可对该部位采取加强措施。

3 结语

通过利用所建立的有限元模型，对未加固墙片及五条10 cm宽碳纤维布和玻璃纤维布分别加固的砌体墙片进行了受力分析，通过分析发现:采用纤维布加固砌体结构是行之有效的方法;纤维布加固后墙体的极限承载力有了明显的提高，碳纤维布的加固效果优于玻璃纤维布的。有限元分析结果与试验分析结果相一致，说明所建立的有限元模型对纤维增强复合材料加固砌体结构的有限元分析是适用的。

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