CFRP加固框架填充墻結構的抗震性能分析

叢湘林 張豐琪 孟春

摘要：本文利用大型有限元軟件ANSYS分別建立了CFRP加固單跨五層框架填充墻結構的有限元模型，通過改變加固方式分析了CFRP加固框架填充墻結構的抗震性能。

關鍵詞：CFRP;框架填充墻;有限元分析

1.前言

利用碳纖維（CFRP）對結構進行加固已經在實際工程中得到廣泛的應用，這種方式加固不僅可以改善結構的力學性能，而且具有不增加結構自重不改變結構截面尺寸的優點。本文以單跨五層框架填充墻結構為例（如圖1所示，框架柱尺寸為400mm×400mm，框架梁尺寸為250mm×400mm，填充墻厚度為120mm）。分別建立了把填充墻當作荷載輸入的純框架結構、未加固框架填充墻結構、首層加固的框架填充強模型、一二樓層加固的框架填充墻結構模型、一三五樓層加固的框架填充墻結構模型和全樓加固的框架填充墻模型共計六個有限元模型，并對這些模型進行了抗震性能分析。

圖1? 框架填充墻結構和全樓加固示意圖

2 抗震性能分析

2.1單元的選擇

對框架結構中的梁和柱選用Ansys中的Beam3單元，本文選用Contac178單元作為填充墻和框架結構之間的接觸單元，選用Shell41單元模擬碳纖維。

2.2 有限元分析

本文利用天津波分別對各種結構形式進行了動力時程分析，得到了不同結構形式的地震響應。天津波的最大加速度為1.0338m/s2，加載時間為19.2s，共計960個荷載步，天津波的加速度譜如圖2所示。本文采用完全法進行結構的動力時程分析，結構的阻尼比設置為0.05。

圖2? 天津波加速度時程曲線圖

2.2.1 不同形式的結構頂層水平方向最大位移

經過計算后得到不同結構形式框架結構頂點水平方向最大位移時程曲線如圖2.2.1-1～2.2.1-6所示。

圖2.2.1-1? 純框架頂層位移時程曲線

圖2.2.1-2 未加固框架填充墻結構頂層位移時程曲線

圖2.2.1-3 首層加固結構頂層位移時程曲線圖

圖2.2.1-4 一二樓層加固結構頂層位移時程曲線

圖2.2.1-5 一三五樓層加固結構頂層位移時程曲線

圖2.2.1-6 全樓加固結構頂層位移時程曲線

以頂層位移最大時刻的時間為基準，得到各樓層此時的位移，見表2.2.1-1。繪制出此時沿各樓層發生的水平位移包絡圖，如圖2.2.1-7所示。

表2.2.1-1? 各層最大水平位移（mm）

結構形式

樓層數

一

二

三

四

五

純框架

1.76

4.41

6.69

8.23

9.03

未加固

1.27

3.11

4.72

5.01

6.04

首層加固

1.07

2.32

3，24

3.99

4.55

一二樓層加固

0.97

2.07

2.89

3.56

4.05

一三五樓層加固

0.90

2.11

2.90

3.41

3.88

全樓加固

0.79

1.78

2.48

3.04

3.47

圖2.2.1-7? 各層水平位移變化圖

由位移數據可以得到，在地震作用下，各種形式結構的最大位移存在差異，隨著結構剛度的提高各樓層的水平位移都有減小，由圖2.2.-72可以看出，經過加固后的結構水平最大位移比未加固的結構減小幅度明顯，不同加固形式的結構最大位移相差幅值不大。

2.2.2不同形式的結構水平方向最大底部剪力

在對結構進行動力時程分析過程中，框架柱底部會產生剪力，而且剪力大小也會隨著時間變化而變化，通過對每種結構形式進行分析后得到底部最大剪力值見表2.2.2-1所示。

表2.2.2-1? 水平方向最大底部剪力（kN）

結構形式

純框架

未加固

首層加固

一二樓層加固

一三五樓層加固

全樓加固

底部最大剪力

10.08

21.52

26.19

32.81

36.93

39.19

由最大剪力表格可以得出，加入填充墻后結構的底部最大剪力大約是純框架結構的2倍;說明填充墻的加入對結構剛度影響較大。相對于未加固的框架填充墻結構而言，經過碳纖維布加固后結構的最大剪力也都有所增大，而且隨加固量的增大而增大，增幅分別為21.7%、52.4%、71.6%和82%，說明碳纖維加固前后對結構的剛度的影響不可忽略。

2.2.3 不同形式的結構耗能分析

在遭遇地震時，結構的耗能水平反映其抗震能力，將任意時刻t結構的耗能（單位是焦（J））定義為（式中：—t時刻結構底部剪力;—t時刻結構頂層位移）。利用計算得到的底部剪力時程曲線和頂層位移時程曲線，進行計算得到不同結構形式的耗能時程曲線圖（如圖2.2.3-1～2.2.3-6）。

圖2.2.3-1? 純框架結構耗能時程曲線圖

圖2.2.3-2? 未加固框架填充墻結構耗能時程曲線圖

圖2.2.3-3? 首層加固框架填充墻結構耗能時程曲線圖

圖2.2.3-4? 一二樓層加固框架填充墻結構耗能時程曲線圖

圖2.2.3-5? 一三五樓層加固框架填充墻結構耗能時程曲線圖

圖2.2.3-6? 全樓加固框架填充墻結構耗能時程曲線圖

利用數學處理軟件Origin8.0對耗能時程曲線進行積分，得到結構在地震作用下消耗的總能量（見表2.2.3-1所示）。

表2.2.3-1? 結構耗能值

結構形式

純

框架

未

加固

首層

加固

一二樓層

加固

一三五樓層

加固

全樓

加固

最大耗能值

89.98

97

104

115.7

131.09

119.31

總的耗能值

54.26

67.92

76.28

85.24

96.72

87.19

由不同結構形式的耗能能力可以看出，填充墻的加入能提高框架的耗能能力，相對于未加固的結構而言，經過加固后的結構耗能能力明顯增大，增幅分別為12%、25%、42%和28%，其中隔層加固后的結構耗能能力增幅最大，說明這種加固方式在提高結構延性，改善結構抗震性能方面有其優越性，在實際應用中不失為一種好的加固方法。

3小結

通過利用有限元軟件Ansys對碳纖維布加固某五層框架填充墻結構進行了模態分析和動力時程分析。經過計算對比分析，不同加固方式下結構的自振頻率、頂層最大水平位移、底部剪力以及耗能性能均不同。結構的自振頻率、和底部剪力隨著加固量的增大而增加，頂層最大水平位移隨著加工量的增大而減小，而隔層加固后的結構耗能性能最好，分析的相關數據可以作為參考資料應用于實際工程實踐。

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