1、AFRP 加固钢筋混凝土梁柱节点抗震性能有限元分析摘 要 ： 运用现有有限元程序 ANSYS 对 AFRP 加固钢筋混凝土梁柱节点的抗震性能进行了分析。分析中考虑了非线性特征。模拟了在轴向压力 与水平往 复荷载作用下 AFRP 加固钢筋混凝土梁柱节点的力学响应 ，并与非加固梁柱节点的受力性能进行比较。研究了滞回曲线及其骨架曲线、裂缝位置、梁柱节点延性等。结果表 AFRP 横向包襄梁柱节点能够增加梁柱节点的延性。改善梁柱节点的抗震性能。关键词：AFRP；节点；加固；抗震；有限元前言节点是框架结构传力的枢纽，起着传递和分配内力、保证整体性的作用。在地震作用下，节点核心区经受着很大的水平剪力，一般约
2、为柱子剪力的 46倍，易产生剪切脆性破坏。另外由于反复荷载的作用导致钢筋粘结退化，发生钢筋锚固破坏，从而大大降低节点的强度、刚度和耗能能力。节点一旦破坏，会使结构处于极为不利的受力状态，甚至导致整个结构的倒塌。为了避免节点先于梁柱构件而破坏，钢筋混凝土框架结构抗震设计中以“强节点弱构件”作为设计原则。当框架节点由于设计、施工不当，或是使用功能、使用环境发生改变，或是对结构抗震要求提高等原因造成承载力不足，延性、刚度不够或是抗震性能不足时，需对其进行加固补强。钢筋混凝士节点作为框架结构中一个重要组成部分，起到连接梁柱构件、传递和分配内力、保证结构整体性的作用。震害与研究表明，框架结构在水平与竖向
3、荷载作用下，节点往往由于受到压力、弯矩和剪力的共同作用成为结构抗震的薄弱环节，震害表明，节点破坏成为框架倒塌的土要原因之一。在框架结构中节点尺寸较小但构造相对复杂，并分布着较高的作川麻力，引起节点发生局部非线性损伤，增加了加固处理的难度。直交梁与楼板的存在使加固材料难于布置，梁柱端部凹角处较强的拉力和剪力作用需要特殊的锚同处理，柱边梁塑性铰引起的梁筋屈服渗透会降低节点耗能性能与刚度等等，这些问题都限制了一些传统方法的实施，需要探讨一些新的加固方法，或对传统方法进行一些改良完善，使其适用于节点加固。转移梁端塑性铰已被实践证明是一种有效的改善节点性能的措施，其指导思想是对梁配筋采取措施加强柱边截面
4、的抗弯强度，迫使塑性铰离开柱边一定距离形成，以推迟或避免柱边梁筋进入屈服。使节点内梁筋粘结性能得到保证。为了实现塑性铰外移，必须使柱面处梁截面抗弯强度超过预期梁铰处的抗弯强度，在加固时，这一点可以通过在柱边一定范围内布置加固材料实现，角钢或焊接钢板由于具有良好的韧性、较高的强度、焊接性能和表面性能等特点，符合作为转移梁端塑性铰加固材料的要求。角钢或焊接钢板置于节点周围的梁柱表面，通过对拉螺栓固定，如图所示。这种方法具有如下一些主要特点：(1)实现梁端塑性铰外移。角钢角肢或钢板可以提高梁柱加吲段的截面抗弯强度，使加同节点满足外移梁端塑性铰的要求，节点延性提高。(2)提高节点承载力、减小节点核心区
5、变形。节点对角混凝十受到的较大压应力转移至角钢角肢或钢板端部，拉压杆面积增大，节点抗剪承载力提高；加固段梁柱截面抗弯刚度增加，梁柱端部变形减小，节点剪切变形随之减小。(3)改善贯穿节点核心区梁筋的粘结性能。梁筋锚围长度增加，且对拉螺栓使角钢或焊接钢板在加固段混凝土上作用有预加压力，梁筋粘结强度在压力作用下得到提高。(4)同时加同梁柱端，不会违背强柱弱梁的设计原则；且易丁选材，方便施工，基本不会对原结构造成损伤，儿乎不增加原构件的截面尺寸与重量。纤维增强复合材料(FRP)具有高强、高弹模、低重量、耐腐蚀、易施工、适应性强以及与混凝土良好的协同工作等优越的性能，是一种新型、高效的结构加固材料。加固
6、后的节点极限承载力和抗震性能都有大幅度的提高，各项性能指标都达到并超过了我国现行抗震规范的要求，而且核心区没有直接加固试件的屈服强度、极限强度和破坏形式也都得到了改善，这对于实际工程中存在正交梁的梁板柱节点的加固很有意义，考虑到实际工程中带有正交梁的立体节点十分常见，吴波等 对带有正交梁的立体节点采用碳纤维布进行了抗震加固的研究，钢筋混凝土节点试件按强柱强梁弱节点的原则设计，加固方式如图 5 所示，首先 左蘩在节点核心区分条粘贴一层折线形碳纤维布(图中的)，并直延伸到周围的粱各 150 mm 作为锚固，两个试件折线形碳纤维布沿柱高方向的总宽度为 3l0mm，一个试件的为 180 mm，然后在各
7、梁根紧靠节点核心区处各缠 3 层 50 mm 宽的碳纤维布粱箍混凝土套加固法用高性能钢纤维混凝土进行加固，加固方案为加固柱子和节点核心区，并向粱端延伸 100 mm，加固层的厚度为 25 mm，加固所用的钢纤维混凝土的抗拉强度和抗压强度分别是 9 MPa 和 75 MPa，试验结果表明，加固后试件的抗震性能得到了明显的提高，破坏形态可以从不加固时的脆性破坏转变为粱上出塑性铰的延性破坏，试件的耗能能力和刚度退化得到了明显的改善。文献 28 进行了采用粘钢加固框架节点和碳纤维加固框架节点两种方法的比较，发现粘钢加固节点和碳纤维加固节点都可以提高节点的屈服强度、极限强度、延性、刚度及抗震性能，在该文
8、的试验条件下粘钢加固对抗震性能的提高优于碳纤维的。文献 29 通过柱加大截面法及粘钢法加固框架节点的试验研究结果对两者在承载力、刚度、延性及耗能能力等方面进行了比较，结果表明两者极限承载力提高程度相近，粘钢加固试件的延性及耗能能力提高优于柱加大截面法加固的试件，但刚度提高程度相对较小。文献 30 进一步总结了加大截面法、粘钢法及粘碳纤维法加固框架节点的试验结果，并对三种加固方法在承载力、刚度、延性及耗能能力等方面进行了比较与分析，结果表明，三种加固方法都基本可以改变节点核芯区脆性破坏的性质，节点核芯区的极限强度、延性、刚度及耗能能力都有所提高；加大柱截面法加固及粘钢加固提高原节点核芯区的开裂荷
9、载，而碳纤维加固节点核芯区的开裂荷载无明显提高；加大柱截面法加固节点和粘钢加固节点承载能力提高相近，都比碳纤维加固节点的承载能力提高的多一些；粘钢加固试件延性提高最多，碳纤维加固延性较少；加大截面法及碳纤维法试件刚度的提高比粘钢法多些；粘钢加固试件耗能能力最好，碳纤维加固试耗能能力比较小。与 CFRP 比较 CFRP 材料脆性大不易弯折，节点破坏时材料的高强度不能充分发挥，而，AFRP材料的变形性能良好与钢比较 优点分析分析误差不足 展望AFRP 加固框架节点有限元分析模型材料的本构关系(1)钢筋 在有限元模型中假定钢筋在达到屈服强度之前一直是线弹性 的，达到屈服点之后就是理想塑性的。 图是钢
10、筋的应力应变曲线 (有限元默认拉压为对称) 。(2) 混凝土混凝土是一种非完全脆性材料，它的抗拉性能和抗压性能完全不同，一般来说混凝土的抗拉强度只有抗压强度的 8 15(Shah，eta11995)，图 3 为普通混凝土的应力一应变曲线(Bangash 1989) 。(3) AFRP 聚合物 芳纶纤维除具有高强度、高弹性模量性能外，还有较高的耐热性能。因为芳纶纤维是刚性大分子链，活动性能较差，即使在高温下也能保持较高的强度。常用的芳纶纤维为芳纶 1414，其原丝的抗拉强度为 2.672.9GPa，弹性模量为 38.950GPa 。 在有限元模型中将它视为理想线弹性材料。单元类型及刚度矩阵(1)
11、 钢筋单元 钢筋采用离散模式，取空间杆单元。设钢筋面积为，利用虚功原理，钢筋单元的刚度矩阵为K = BT D B A L (2) 混凝土单元 为了较好地反映混凝土中裂缝的开展，采用八结点六面体单元，单元刚度矩阵为K = B DC B(3) AFRP 材料单元 将 AFRP 材料按弹性壳单元考虑。(4) 弹簧单元在单调加载情况下，钢筋和混凝土之间粘结和滑移的本构关系可以利用 Houdle 和 Mirga 公式求得。此公式为东南大学所推导得出。r = (5310 2 S25210 4S+ 586lO 5S3 5471O S4 )（f c407)式中， r 为 联 结 应 力 (Nmm 2) ；S 为 相 对 滑 移 量(mm) ；f c为混凝土轴心抗压强度(Nmm 2) 。单元裂缝及压坏(屈服)后的处理柱的加载制度抗震性能的有限元计算结果及分析滞回曲线延性分析及 AFPR 的应力分布滞回曲线的骨架曲线结论
