基于MATLAB的碳纤维布抗震加固的GUI程序设计

张雪松 叶璐挺 顾 颜

0 引言

MATLAB是一种用于工程与科学计算的高级语言,它集数学运算、数据可视化、程序编制和仿真等功能于一体。数组(向量和矩阵)是MATLAB的基本数据单元,在计算中,数组无需进行算前维数定义,只要其满足数学运算法即可;另外,MATLAB不但包含了丰富的数学函数,同时还具有适合各专业的函数工具箱。这极大的方便了教学和科学研究。

MATLAB不但是一种优秀的数值计算、数据分析和数据可视化工具,同时还集成了高效率的图形用户界面(GUI)开发环境——GUIDE。GUIDE不仅能够方便地创建控件对象,编写控件对象的回调函数,而且还能方便地实现控件对象间的数据交流。

当建筑结构由于材料强度降低、功能改变、设计失误、施工不当、规范修订等原因使结构不能满足功能要求时,为了不推倒重建,就必须对该建筑进行加固。碳纤维布(CFRP)在钢筋混凝土构件的加固中使用日益广泛,目前存在两种常用的CFRP抗震加固设计方法,一种是先出现的基于CECS 146∶2003碳纤维片材加固混凝土结构技术规程 (以下简称“规程”)的设计方法,一种是后出现的基于GB 50367-2006混凝土结构加固设计规范(以下简称“规范”)的设计方法。

本文根据规范和规程,应用GUIDE编写了钢筋混凝土构件CFRP抗震加固程序Anti¯seism ic。

1 Anti¯seismic程序

采用GUIDE,设计了如图1所示的图形用户界面(GUI)。界面中包含了抗震加固设计时被加固柱原有箍筋的体积配箍率计算时的信息输入、基于规程和规范的被加固柱因CFRP环向约束的体积配箍率增量计算时的信息输入,具体如箍筋材性信息、CFRP材性信息、加固几何信息等,同时界面中还包含加固设计时的数据检查、计算分析和帮助等“Push Buttons”控件。

图1中的各板块包含了完成CFRP抗震加固计算的所需参数。“n¯1(n¯2),A¯s1(A¯s2),l¯1(l¯2),A¯cor,s”分别指构件截面的“钢筋根数、单根钢筋截面面积、钢筋长度、混凝土核心面积、钢筋间距”;“n¯cf(n¯f),w¯cf(b¯f),t¯cf(t¯f),s¯cf(s¯f),v(k¯c), b,h,f¯cf(f¯f),f¯yv(f¯yv0)”分别指CFRP的“粘贴层数、条带宽度、单层CFRP厚度、净间距(注:规范为“中心间距)、有效约束系数、柱截面宽度、柱截面高度、CFRP抗拉强度设计值(注:规程与规范使用不同的取值方法)、箍筋的抗拉强度设计值”。

通过分析规程和规范上柱的CFRP抗震加固计算的必要输入信息和约束条件,程序Anti¯seismic的计算构架如图2所示。

在“输入/修改”加固计算的基本信息时,程序Anti¯seism ic已经包含了基本信息的检查功能。

为了防止用户忽略信息检查对话框的提示,程序Anti¯seismic在加固计算前,还需进行基本信息的物理和几何条件总检查,包括材性信息合理性检查,加固信息合理性检查,几何信息合理性检查等。若通过了信息总检查,程序就自动进入加固计算阶段。

在抗震加固计算中,Anti¯seism ic除给出依GB 50010-2002混凝土结构设计规范(以下简称“混凝土规范”)计算所得的被加固柱原有箍筋的体积配箍率,同时也给出了分别依据规程和规范计算所得的因环向围束算得的箍筋体积配箍率增量和总量,这方便工程师的校核。

2 算例

已知一矩形框架柱,二级抗震等级,其截面尺寸为:b=500mm, h=500mm,保护层厚度为hc=30mm,箍筋采用HRB235;按混凝土规范,箍筋体积配箍率 ρv≥0.60%。原设计时加密区箍筋配置为Φ8@100,复合箍,每个方向 4肢,体积配箍率ρv=0.91%＞0.60%,满足要求;但由于施工失误,加密区实配箍筋 Φ8@200, ρv=0.46%＜0.60%,不满足设计要求,现拟对该框架柱进行CFRP抗震加固,使其折算箍筋体积配箍率满足要求。

根据经验确定粘贴1层CFRP,CFRP宽度wcf(bf)=80 mm,净距scf=100mm,中距sf=180mm,规程约束系数v=0.45,规范约束系数kc=0.66(CFRP的有关参数:厚度tcf=0.110mm,依规程方法确定的强度设计值fcf=2 800N/mm2,依规范方法确定的强度设计值ff=2 300N/mm2;箍筋的强度设计值:fyv(fyv0)=210 N/mm2)。

将上述算例中已知和假设的加固基本信息输入Anti¯seismic后,点击“计算与分析”按钮,程序即给出了与加固相关的计算值:

1)原有箍筋体积配箍率:0.004 6;

2)按规程计算的体积配箍率增量:0.002 3;

3)按规范计算的体积配箍率增量:0.002 8;

4)按规程计算的折算体积配箍率:0.006 9;

5)按规程计算的折算体积配箍率:0.007 4。

该框架柱经上述抗震加固后,经规程和规范核算,其箍筋的体积配箍率符合要求。

3 结语

本文介绍了MATLAB图形用户界面开发环境(GUIDE)在设计基于规程和规范的钢筋混凝土框架柱CFRP抗震加固程序Anti¯ seismic中的运用,同时给出Anti¯seismic程序设计构架及其在满足适用性方面的一些措施,最后通过实例对Anti¯seismic进行应用介绍。

Anti¯seism ic不但可同时给出基于规程和规范的柱抗震加固计算结果,在一定程度上减轻柱抗震加固设计的工作强度,其设计构架可以为擅长程式语言,同时对设计该类加固程序感兴趣的结构工程师提供一个参考。

[1] GB 50010-2002,混凝土结构设计规范[S].

[2] CECS 146∶2003,碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[S].

[3] GB 50367-2006,混凝土结构加固设计规范[S].

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