應用ANSYS 模擬地震作用下加固砌體的力學特性

丁 峰

(河北聯合大學，河北唐山 063009)

應用ANSYS 模擬地震作用下加固砌體的力學特性

丁 峰

(河北聯合大學，河北唐山 063009)

通過對碳纖維復合材料加固砌體結構進行ANSYS有限元數值模擬，分別建立整體砌體房屋模型和不同的碳纖維加固模型，并對不同加固方案進行了分析，同時對比研究了各個加固模型的破壞形態、強度、極限位移等，為粘貼碳纖維布加固磚砌體房屋的抗震性能提供了理論依據。

砌體，地震作用，ANSYS

1 概述

由于我國是一個地震頻發的多震帶國家，所以對于低強砂漿砌筑的砌體房屋和歷史建筑的影響很大。如果地震的震級超過五級，對上述的建筑就會產生破壞性的作用，這樣就會造成巨大的經濟損失。我國經濟適用的砌體房屋在民用住宅建筑中約占90%以上，今后的一段時間內，砌體房屋仍然是城鄉建設中一種主要的結構形式。雖然多層磚砌體結構房屋的抗震性能很差，但是只要通過合理的設計，采用必要的抗震措施，多層砌筑房屋仍可在地震區使用。

可是通過調查研究發現，在未發生地震的地區，有大量適用的結構不合理的磚砌筑房屋，如缺少構造柱、圈梁、縱橫墻缺少可靠的搭接等。為了避免在地震中發生震害的情況，需要在結構或是構造上給這些房屋加固。通常情況下，分析加固效果的手段通常有三種：第一種實物實地檢測，就是在地震區，對所需要的房屋進行加固等待地震的發生檢測效果。但這種方案由于地震沒有規律性，可能周期很長，我們沒有這么多的時間去等，而且要是方案有問題就可能造成人員死傷;第二種，建造實物試驗，給它與地震相同的作用，檢測效果，由于方案的多樣性和實驗結構的離散性，我們需要建造很多的實物，而且需要提供地震作用的大型設備，這就需要大量的資金做支持;第三種，數值模擬，運用一些建模軟件，對各種的加固方案進行分析。

經過比較三種方法的可行性和試驗結果發現，應用計算軟件進行數值模擬分析，以磚砌筑房屋為研究對象，應用ANSYS建立不同方案的碳纖維布加固模型，因為這種方案耗費的時間短，節省很多的勞動力，可以做各種各樣的大量加固方法的研究，而且它不需要花費很多的資金，更不會出現人員的傷害，所以這一方案具有可行性，為碳纖維在砌體房屋加固中提供理論支持。

2 碳纖維加固技術

2．1 碳纖維布的材料性能

碳纖維材料是建筑結構中應用最廣泛的一種結構加固材料，其質量輕、強度高、施工方便等特點，在工程領域的應用越來越廣。碳纖維的比重非常的輕，通常情況下只有鐵的1/10，而且它比鋁要輕，但是比鋼的強度高，強度是鐵的10倍。碳纖維是一種用和鉆石同等物質制作成的材料，因為碳元素很穩定，所以說碳纖維在化學組成上也就非常的穩定，抗腐蝕性也是相當的強，另外它的抗張拉強度非常大。碳纖維的其他特性包括高度的X射線穿透性，較高的抗腐蝕，抗熱和抗低溫能力。

除上述的描述外，碳纖維還有諸多優點，其中包括耐磨性能好，熱導性好，尺寸穩定以及屏蔽性，具有較好的減震效果。

2．2 碳纖維布加固的特點

由于碳纖維材料本身所具有的特性，在砌體加固中運用它有著明顯的優點，其中概況起來主要包括以下幾方面：

1)強度高：鑒于碳纖維材料本身所具有良好的物理特性，可以極大的提高砌體結構的極限承載力和變形能力，提高結構的整體性。2)耐腐蝕性能及耐久性：碳纖維對一般的腐蝕環境都具有相當的耐性，而且又與別的材料都會具有相當好的相容性。除了強氧化劑外，一般的如30%的硫酸、堿和濃鹽酸對于碳纖維基本就沒有作用，可以說對于這三種物質具有免疫性，所以在加固的過程中對于加固環境的要求很低。3)自重和自身體積小：碳纖維的密度很小，在加固后不會對墻體造成額外荷載，它在加固中占用的體積相對于砌體結構本身可以忽略不計，不占用使用空間。4)適用面廣：碳纖維材料本身很柔軟，可以根據加固使用中的需要很容易的制作成各種相應的形狀，而且對結構的外觀不會造成影響，因此可以廣泛的運用在砌體結構的任何部分。5)便于施工：碳纖維加固的工藝相當的簡單，在施工過程中不需要大型的機械，對于施工面的要求很小，而且施工的過程中不涉及濕操作，因此運用碳纖維加固的效率很高。

3 未加固砌體房屋的ANSYS分析

3．1 模型概況

在應用ANSYS模擬軟件分析時，需要建立和實際的實驗結構相近的分析模型，在此選3 m×3 m×3 m的整體磚砌體房屋，墻體的厚度為200 mm，墻的四角有構造柱，構造柱橫截面尺寸為200 mm×200 mm，在墻高2．75 m～2．9 m之間有圈梁，頂板厚度100 mm。在對加固磚砌體房屋力學特性數值模擬中，重點是分析墻體上的點或區域的力學特性，為了使構造、圈梁和頂板不破壞或是相對較輕的破壞，構造柱、圈梁和頂板都是使用混凝土且有相應的配筋。模型中混凝土采用C30，構造柱和圈梁配有4根HRB400鋼筋。構造柱中配筋的間距為150 mm;圈梁配筋高度方向間距50 mm，水平方向間距為100 mm;頂板的配筋在頂板的中間部位，鋼筋等級為HRB335，雙向配筋，間距為100 mm。為了減少加固模型，房屋中墻體完好，沒有門洞和窗洞，模型如圖1所示。

采用ANSYS有限元軟件建立模型進行分析。磚和混凝土材料選用Solid65單元;鋼筋選用Link8單元;碳纖維選用Shell41膜單元，這種單元只能承受拉應力而不能承受壓應力。

3．2 裂縫發展分析

在裂縫分析過程中，X軸正負方向的墻體為右墻和左墻，Z軸正負方向上的墻體分別為前墻和后墻。房屋在水平荷載的作用下，裂縫最先在右墻的底部兩側發生，隨著荷載的增大，裂縫在右墻的底部和側墻的底部相繼產生;當作用荷載達到1 kN時，裂縫有由荷載右墻的中間底部向上部快速發展的趨勢;當作用力達到1．15 kN時，右墻上的裂縫由底部快速向上發展，但是中間的裂縫發展的很快，已經接近于圈梁的底部，而靠近構造柱的墻體上裂縫發展的很慢，可以說，構造柱有很好的限制裂縫發展的作用，如圖2，圖3所示。

圖1 房屋模型

圖2 模型W中27步裂縫云圖

圖3 模型W中28步裂縫云圖

4 加固砌體房屋模型分析

4．1 模型裂縫分析

根據模型的計算結果中的裂縫云圖，可以清晰的看出：模型W外表面裂縫面積會隨著荷載步的增大而增大，但是每個荷載之間裂縫面積增長較為不均勻，在有的相鄰荷載步之間，裂縫的面積會有較大的突變;模型上裂縫產生是隨著荷載步的增加而相對較為均勻的增長，在相鄰的荷載步之間，裂縫面積增大較為均勻，突變較小，在一定的荷載步之后，裂縫面積要大于模型W。通過上述分析說明加固可以使房屋更多部分參與承擔荷載作用，增大房屋整體的耗能了，如圖4，圖5所示。

圖4 模型W5中27步裂縫云圖

圖5 模型W5中28步裂縫云圖

4．2 加固房屋應力分析

在房屋模型中構造柱和圈梁材料是鋼筋混凝土，墻體是磚，因此構造柱和圈梁的抗拉強度、抗剪能力都是遠大于墻體的，破壞是從墻體開始的，而且現實磚砌體結構中都是主要由墻體來承受外部荷載作用，所以在有限元模型分析中以墻體為研究對象，分析各種加固方案對于房屋墻體最大應力的影響。

房屋在1．4 kN荷載作用下，加固模型墻體的最大應力都要小于未加固模型墻體的最大應力，說明使用碳纖維布加固磚砌體房屋可以增強墻體的耗能能力，提高墻體的開裂荷載，使墻體的應力變化更為均勻，減小墻體的應力集中。

4．3 模型碳纖維上應力位移分析

碳纖維布是線性材料，具有很大的抗拉強度，在房屋加固中主要是與粘貼長度方向上的磚體共同承擔拉力作用，或者說是提高粘貼處的抗拉強度。ANSYS后處理中顯示，碳纖維在長度方向上節點的位移和應力為零，這與有限元模型建立中碳纖維材料采用Shell41單元是相符的，因此不做詳細分析。碳纖維布中部區域的節點都是處于相應房屋墻體中部區域，此處節點的位移與應力變化情況可以代表墻體中部節點的位移與應力的變化趨勢。

5 結語

經過ANSYS有限元分析軟件建立的碳纖維布加固與未加固的磚砌體房屋數值分析模型，對加固模型進行擬靜力數值模擬計算，分析碳纖維布加固磚砌體房屋抗震力學特性，不同方式粘貼碳纖維布對于磚砌體房屋的影響，通過各模型結果的對比，可以得出結論：

1)粘貼碳纖維布的應用，能夠控制磚砌體房屋的裂縫發展，不會大面積出現裂縫情況，使裂縫分布的更為均勻。2)在經過碳纖維布加固的磚砌體房屋中，碳纖維布能夠分擔部分地震力對房屋的影響，提高了磚砌體的延性。3)通過碳纖維加固后的房屋，其最大位移要小于在相同荷載作用下未加固的房屋，碳纖維的使用控制了房屋的水平位移，提高了房屋的整體抗震性能。

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Application of ANSYS simulation under seismic action of mechanical properties of reinforced masonry

DING Feng

(Hebei United University，Tangshan 063009，China)

The carbon fiber composite material reinforced masonry structure ANSYS finite element numerical simulation，respectively to establish overall masonry building model and different carbon fiber reinforcement model．On the analysis of different reinforcing schemes，research and compare reinforcement of the failure mode of the model，strength，ultimate displacement and so on，so as to provide theoretical reference for CFRP reinforced brick masonry building on the seismic performance．

masonry，earthquake action，ANSYS

TU746．3

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.117

1009-6825(2013)10-0046-02

2013-01-11

丁 峰(1984-)，男，助理工程師