基于Midas/FEA模型的預制混凝土墻板加固砌體模擬分析

薛海朋,李 佳,李向宇

(1.河北建研科技有限公司,石家莊 050000;2.河北新源建筑工程檢測有限公司,石家莊 050000)

砌體結構是指用磚砌體、石砌體或砌塊砌體建造的結構[1],其中塊體與砂漿砌筑而成的墻、柱為建筑物的主要受力構件[2]。砌體結構是一種傳統的結構形式,在人類建筑工程發展史上發揮了極其重要的作用[3]。砌體結構有眾多優點:砌體房屋使用的建筑材料均為地方材料,可根據當地磚、石開采量擇優選取、就地取材;磚、石等地方材料一般價格便宜,鋼筋、水泥等價格相對較高,與混凝土結構相比可以降低大量成本,同時砌體結構施工方便,工藝簡單,不需要特殊機械設備,工人易學易用;磚、石材料具有很好的耐火性、較好的化學穩定性和大氣穩定性,具有較好的隔熱、隔聲性能[4]。因此,從1949年建國以來,我國建造了大量的徹體結構房屋[5]。至今,我國眾多砌體房屋已經超出正常設計使用年限,并且由于當時經濟與技術水平落后,砌體房屋均未進行抗震設防設施或是不滿足當下抗震設防規范的要求。《住房和城鄉建設部關于在實施城市更新行動中防止大拆大建問題的通知》中表明,除違法建筑和經專業機構鑒定為危房且無修繕保留價值的建筑外,不大規模、成片集中拆除現狀建筑,鼓勵對既有建筑保留修繕加固,提高安全性、適用性和節能水平[6]。根據《磚混結構加固與修復》(15G611)[7]、《砌體結構加固設計規范》(GB 50708—2011)[8]等規范,針對砌體的常規加固方法有增設鋼筋混凝土面層法、增設圈梁、增設構造柱等。傳統的加固方法存在大量的現場濕作業,不僅對環境影響大,而且施工周期長,生產效率低,影響居民的正常使用。

自從《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》[9](國辦發〔2016〕71號)的提出,裝配式建筑產業得到飛速發展,到目前為止已經形成一套完整的裝配式建筑設計與施工體系。裝配式工程有較為突出的優點,如可以將大量濕作業、過程作業轉移到工廠中進行,一方面廠家可以通過機械加工控制施工質量,防止不同批次質量產生較大波動,另一方面加工污染物可被限制在加工區域范圍內,避免擴散污染,易集中處理[10]。節約建材、降低能源消耗和廢水排放量等特點適合國家節能減排、綠色建設的發展策略,也滿足經濟社會可持續發展的要求。裝配式技術的優點有很多,但是我國對于將裝配式技術應用于加固砌體的研究還比較少,如何使預制構件與砌體很好的協同工作等的研究以及工程應用的推廣均處于初始階段。

采用傳統現澆面層加固法和預制構件加固法對素砌體墻進行加固處理,通過Midas FEA非線性有限元軟件對素砌體墻、現澆面層加固砌體、預制構件加固砌體進行數值模擬分析,對比模擬結果,研究預制混凝土墻板加固后砌體的抗震性能,分析其在砌體材料上應用的可行性。

1 加固介紹

1.1 素砌體墻模型

砌體房屋結構中,主要受力構件為墻體。為滿足用戶日常使用要求,一般縱墻會開設多個門窗洞口;由于縱墻開設的洞口較多,不利于承受荷載,砌體結構中大多為橫墻承重;砌體房屋一般開間不大進深較大,從而橫墻布置較多。總之,由于橫墻結構單一、數量較多且為主要的受力構件,因此從某一項目中選擇一片合適的橫墻作為研究對象,進行數值模擬分析。經過相似比例準則推導,原型和縮尺模型的材料一致的情況下,兩者測量的應力也相同[11]。數值模型中砌體墻縮尺模型如圖1所示。

砌體墻厚120 mm、長1 400 mm、高1 200 mm,磚強度為MU10,砂漿強度為M1(其中,底部與地梁連接處和頂部三層磚砂漿強度提高為M10),素砌體墻命名為TW-1。

1.2 加固方式

對素砌體墻進行加固處理,加固方法為預制混凝土構件加固與現澆面層加固,并分別命名為RTW-1和RTW-2。RTW-1預制混凝土板厚40 mm,采用C50強度灌漿料澆筑成型。預制構件頂部甩出80 mm彎鉤,側邊甩出150 mm彎鉤,分別與頂部水平鋼筋、中部豎直鋼筋綁扎。RTW-1預制混凝土構件底部中央均預留(200～260)×300 mm的梯形孔洞,后期澆筑形成抗剪后澆帶。抗剪后澆帶是由地梁中預埋U型鋼筋與預制構件中的等代鋼筋焊接后澆筑而成,提高預制構件與地梁的連接作用,替代常用的水平后澆帶連接做法,減少現場濕作業工程量,便于預制構件就位安裝。RTW-1具體加固示意圖如圖2(a)所示。RTW-2加固面層厚度為50 mm,也采用C50強度灌漿料澆筑成型,RTW-2加固示意圖如圖2(b)所示。

2 數值模擬分析

2.1 有限元模型的建立

Midas FEA提供多種幾何模型的建立方式,建模方式更接近于工程項目設計軟件,也更加直觀和簡單[12]。FEA具有很好的兼容性,可以直接導入其他軟件中已經建好的三維實體模型[13]。選用直接建模方法建立三維實體模型,Midas FEA有限元模型中素墻、預制構件、現澆面層均采用3D箱形實體單元建立;抗剪后澆帶采用3D鍥形實體單元建立,并與3D箱形單元做差集布爾運算形成圖3所示的幾何外形;鋼筋采用幾何菜單欄“頂點與曲線”中的直線工具建立;鋼筋網片通過直線工具的復制平移建立。素墻3D箱形幾何單元采用砌體本構模型;預制構件、現澆面層3D箱形幾何單元采用混凝土損傷本構模型,后澆帶3D鍥形單元同樣采用混凝土損傷本構模型;鋼筋網片直線屬性選用1D植入式桁架(本構模型為線彈性),截面面積為28.27 mm2。

2.2 數值模擬結果

使用Midas FEA軟件建立三個模型,分別為單一素墻有限元分析模型、現澆面層加固素墻模型、預制構件加固素墻模型,模型示意圖如圖4～圖6所示。三個模型中素墻、地梁幾何尺寸與網格劃分等均相同,僅對地梁底部進行固定連接約束,素墻采用同一砌體材料與砌體本構,在相同大小豎向壓力下進行模擬分析。對同樣素墻采用現澆面層加固法和裝配式加固法進行加固,并用軟件進行有限元模擬。

2.2.1 位移結果云圖

經過Midas FEA有限元軟件的計算得到三個模型素墻最大位移結果云圖,如圖7～圖9所示。

由圖7可知:1)素墻TW-1最大位移為12.15 mm,發生在水平荷載作用點(墻體左上位置)處。墻體頂部右側(墻體右上位置)處,位移為7.44 mm;2)從宏觀角度分析,TW-1位移從上到下逐層減小,墻體變形為逐層平移趨勢。由圖8可知:1)現澆面層加固RTW-2墻體中最大位移為0.801 mm,發生在水平荷載作用點(墻體左上位置)處。墻體頂部右側(墻體右上位置)處,位移為0.164 mm;2)RTW-2墻體中現澆面層最大位移為0.7 mm,也發生在墻體左上角處。面層右上角處位移為0.16 mm;3)對比圖8(a)、圖8(b),并從宏觀角度分析,素墻和現澆面層的變形基本都集中在右上角部位,不再像單一素墻那樣逐層平移。出現這一現象的原因是,現澆面層的加入約束了素墻的變形,提高了其整體的剛度,使得受荷載附近有較大變形,遠離端基本不受影響。由圖9可知:1)預制構件加固法RTW-1素墻最大位移為1.107 7 mm,發生在水平荷載作用點(墻體左上位置)處。墻體頂部右側(墻體右上位置)處,位移為0.18 mm;2)RTW-1墻體中預制面層最大位移為0.88 mm,也發生在墻體左上角處。面層右上角處位移為0.179 mm;3)對比圖9中各圖,可以得到和圖8相同的結論。

綜上所述:1)TW-1素墻位移最大,為12 mm,RTW-1、RTW-2位移相近也很小,約為1 mm左右;2)從宏觀角度看,TW-1素墻變形趨勢為逐層減小,RTW-1、RTW-2變形基本集中在右上角部位。

2.2.2 應變結果云圖

經過Midas FEA有限元軟件分析計算得到三個墻體極限荷載下的應變結果云圖,如圖10～圖12所示。

由圖10可知:1)素墻TW-1最大應變為0.009 5,發生在水平荷載作用點(墻體左上位置)處;2)素墻中存在兩處應變較大區域,分別位于墻體的左上角和右下角,左上角區域最大應變為0.009 5,也是整片墻體最大應變位置,右下角區域最大應變為0.007 3;3)如圖10(b),兩區域最大應變連接線附近應變均較大,并以虛線為分界線,向兩側減小,砌體墻應變趨勢為斜向貫通。由圖11可知:1)現澆面層加固RTW-2墻體中最大應變為0.001 07,發生在素墻頂部位置處;2)現澆加固法RTW-2中素墻應變較大區域位于墻體頂部;3)如圖11(a)所示,RTW-2砌體墻應變大都分布在虛線上方的三角形區域。砌體應變趨勢不再是斜向貫通,并向兩側減小,而是集中在斜三角區域,這是因為豎向荷載對砌體的應變起主導作用,一小部分水平荷載參與其中,最終應變趨勢由逐層減小發展成左側區域大右側區域小的斜三角形狀逐層減小的趨勢;4)從圖11(b)可以看出,現澆加固法RTW-2中現澆面層最大應變為0.000 42,應變存在兩個較大區域,分別位于面層左上角和右下角區域,最大應變分別為0.000 42和0.000 12;5)RTW-2現澆面層應變變化趨勢為由左上角區域向右下角區域斜向過渡,然后向兩側遞減。與單一素墻應變變化趨勢對比,發現應變變化趨勢均是斜向貫通變化后向兩側遞減。出現這一現象的原因是,水平荷載起主導作用,幾乎全部由現澆面層承擔,面層受剪使得面層沿斜向45°方向出現最大變形。由圖12可知:1)裝配式加固法RTW-1墻體中最大應變為0.001 3,發生在砌體墻頂部位置(水平荷載與豎向荷載相交)處;2)裝配式加固法RTW-1砌體墻應變較大區域位于墻體頂部;3)由圖12(a)可以發現,RTW-1砌體墻應變大部分都分布在虛線上方的三角形區域,與現澆面層法中砌體應變趨勢相似,形成原因類似;4)從圖12(b)可以看出,裝配式加固法RTW-1中預制構件最大應變為0.000 54,應變也存在兩個較大區域,分別位于預制構件左上角和右下角區域,最大應變分別為0.000 54和0.000 1;5)RTW-1預制面層應變變化趨勢與現澆面層加固法相似,可達到和現澆法相似的加固效果。

綜上所述:TW-1素墻應變最大,為0.009 5,RTW-1、RTW-2最大應變相近也很小,約為0.001 1左右,加固后最大應變降低約9倍。

2.2.3 應力結果云圖

經過Midas FEA軟件的計算得到三個模型素墻最大實體應力結果云圖,如圖13～圖15所示。

由圖13可知:1)素墻TW-1最大應力為0.546 N/mm2,發生在水平荷載作用點(墻體左上角位置)處;2)除去水平荷載附近處應力較大節點外,右下角區域節點應力最大,左上角區域節點應力較大是由于水平外力施加引起的,右下角區域節點應力較大,是砌體墻受力后反應,此區域是該模擬主要關注的區域,其最大應力為0.41 N/mm2;3)如圖13(b)所示,砌體墻在外力作用點斜45°方向區域應力較大(虛線處),并以虛線為分界線,向兩側減小。由圖14可知:1)現澆面層加固RTW-2墻體中最大應力為18.06 N/mm2,發生在現澆面層水平荷載作用點(墻體左上角位置)處;2)現澆加固法RTW-2砌體墻應力最大為0.061 8 N/mm2,發生在砌體墻頂部;3)如圖14(a)所示,RTW-2砌體墻應力大都分布在虛線上方的三角形區域。砌體應力趨勢不再是斜向45°區域最大,并向兩側減小,而是集中在頂部斜三角區域,砌體頂部三角形區域的應力應該主要是豎向荷載引起,水平荷載基本不參與工作,最終應力基本集中在墻體頂部并逐層減小;4)從圖14(b)可以看出,現澆加固法RTW-2中現澆面層最大應力為18.06 N/mm2,右上角最大應力是由水平外力荷載引起的,除去此區域的節點,左下角和右下角區域節點應力較大,是現澆面層受力后的反應,此區域是該模擬主要關注的區域,其最大應力分別為10.31 N/mm2和6.29 N/mm2,反映出現澆面層加固法最先破壞的部位應在左下角和右下角附近。由圖15可知:1)預制構件加固法RTW-1墻體中最大應力為23.19 N/mm2,也發生在現澆面層水平荷載作用點(墻體左上角位置)處;2)預制構件加固法RTW-1砌體墻應力最大為0.075 2 N/mm2,發生在砌體墻頂部;3)如圖15(a)所示,RTW-2砌體墻應力也大都分布在虛線上方的三角形區域。砌體應力分布趨勢與現澆面層加固法結果相似;4)從圖15(b)可以看出,預制構件加固法RTW-1中預制構件最大應力為23.19 N/mm2,應力分布形式與RTW-2相似,因此該模擬主要關注的區域不變,其最大應力分別為9.879 N/mm2和7.27 N/mm2。

綜上所述:1)TW-1素墻應力最大為0.546 N/mm2,RTW-1、RTW-2應力分布形式相近,均分布在左下角和右下角區域,大約為10 N/mm2和7 N/mm2左右;2)RTW-2墻體中砌體墻最大應力為0.061 8 N/mm2,現澆面層最大應力為10.31 N/mm2,在墻體受力過程中受力分配比例是1∶166,外力基本由現澆面層承受;3)RTW-1墻體中砌體墻最大應力為0.0752 N/mm2,預制構件最大應力為9.879 N/mm2,在墻體受力過程中受力分配比例是1∶131,外力基本也是由預制構件承受,抗震效果與現澆面層加固法相當。

2.2.4 抗震性能指標

根據有限元分析,分別從結構的承載力和墻體應變等方面分析比較各個試件的抗震性能。

從表1中可以可看出:1)現澆加固法與預制構件加固法峰值荷載為100 kN左右,峰值承載力基本相同,相對于未加固素墻承載力提高約6.25倍;2)TW-1峰值位移為12.15 mm,RTW-1、RTW-2峰值位移分別為1.11 mm和0.8 mm(相差不大,均在同一量級),與TW-1相比降低90.86%和96.41%;3)TW-1平均剛度為1.32 kN/mm,RTW-1、RTW-2平均剛度分別為90.33 kN/mm和125 kN/mm,與TW-1相比抗側向剛度分別提高了68.4、94.7倍。綜上所述:RTW-1、RTW-2抗震性能基本相同。與未加固素墻TW-1相比,加固后墻體剛度有明顯提高,有利于素墻抗震承載力的提升。

3 結 論

采用有限元軟件Midas FEA對全縮尺素墻、預制混凝土墻板加固全縮尺素墻、現澆混凝土面層加固全縮尺素墻進行數值模擬分析,分析三種加固方式下的三片砌體墻抗震性能,得到如下結論:

a.TW-1素墻最大位移為12 mm,RTW-1、RTW-2最大位移為1 mm左右(總位移相近),與素墻TW-1相比降低約10倍;RTW-1、RTW-2總位移變形趨勢相似,不再是逐層變化;從總位移結果中可以看出:RTW-1、RTW-2加固后的墻體位移變化相近,加固面層對砌體墻起到很好的約束作用,使得墻體剛度得到提升,進而減少墻體的總位移,抗震性能顯著提高。

b.TW-1素墻應變最大為0.009 5,RTW-1、RTW-2最大應變相近也很小,約為0.001 1左右,加固后最大應變降低約9倍,并且RTW-1應變變化趨勢與現澆面層加固法相似,可達到和現澆法相似的加固效果。

c.RTW-1墻體中砌體墻最大應力為0.075 2 N/mm2,預制構件最大應力為9.879 N/mm2,在墻體受力過程中受力分配比例是1∶131;RTW-2中砌體墻最大應力為0.061 8 N/mm2,現澆面層最大應力為10.31 N/mm2,受力分配比例是1∶166。從應力結果中可以看出:加固后墻體外力基本由加固面層承受,且兩種加固方式加固抗震效果相當。

d.現澆加固法與預制構件加固法峰值荷載為100 kN左右,峰值承載力基本相同,相對于未加固素墻承載力提高約6.25倍,RTW-1、RTW-2抗震性能基本相同。與未加固素墻TW-1相比,加固后墻體剛度有明顯提高,有利于素墻抗震承載力的提升。