體外預(yù)應(yīng)力筋加固砌體結(jié)構(gòu)抗震仿真分析

祝百茹，劉海卿

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧阜新 123000）

體外預(yù)應(yīng)力筋加固砌體結(jié)構(gòu)抗震仿真分析

祝百茹，劉海卿

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧阜新 123000）

為研究體外預(yù)應(yīng)力筋加固砌體結(jié)構(gòu)的抗震效果，運(yùn)用LS－DYNA軟件對(duì)加固前后砌體結(jié)構(gòu)在地震作用下的全過程進(jìn)行仿真模擬。結(jié)果表明：體外預(yù)應(yīng)力筋對(duì)砌體結(jié)構(gòu)提供的主動(dòng)約束力可有效限制被加固砌體結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生和開展，同時(shí)能有效防止預(yù)制板的脫空現(xiàn)象；體外預(yù)應(yīng)力筋加固可有效減小結(jié)構(gòu)水平位移，提高其抗側(cè)移能力，有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，提高砌體結(jié)構(gòu)的抗震能力。因此，采用體外預(yù)應(yīng)力筋加固砌體結(jié)構(gòu)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

砌體結(jié)構(gòu)；體外預(yù)應(yīng)力筋；仿真模擬；抗震性能

砌體結(jié)構(gòu)是我國(guó)城鎮(zhèn)中常見的結(jié)構(gòu)形式，但由于其強(qiáng)度低、自重大、延性差等缺點(diǎn)，在強(qiáng)震作用時(shí)會(huì)遭受嚴(yán)重的破壞和倒塌，給人們生命和財(cái)產(chǎn)帶來巨大的損失［1－2］。由于抗震規(guī)范的更新，以前的抗震設(shè)計(jì)不符合最新抗震規(guī)范［3］的要求，因此，砌體結(jié)構(gòu)的抗震鑒定與加固是亟需解決的問題。相對(duì)于其他加固砌體結(jié)構(gòu)的措施［4］，體外預(yù)應(yīng)力筋加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)具有較高的研究和推廣價(jià)值，能夠推動(dòng)老舊可用建筑的維修與加固技術(shù)的發(fā)展。該技術(shù)是將張拉預(yù)應(yīng)力筋補(bǔ)加在需加固的受拉區(qū)段外面，同時(shí)將其錨固在梁（板）的端頭處，這樣就可以對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部分進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力性能，增加結(jié)構(gòu)塑性變形能力和整體性。與此同時(shí)有限元計(jì)算理論的發(fā)展成熟，為結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)提供了方便的計(jì)算工具，已經(jīng)成為科學(xué)研究中除理論研究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)以外的第3種方法［5］。與試驗(yàn)投入相比，數(shù)值模擬方法可以大大減少物力和人力；與試驗(yàn)效果相比，數(shù)值模擬方法同樣可以較直觀地呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力發(fā)展的整個(gè)過程［6］，為在役工程結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)與施工提供技術(shù)保證和理論支撐。

1 仿真模擬方法

砌體結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞仿真模擬是一個(gè)從連續(xù)體向離散體轉(zhuǎn)變的極其復(fù)雜數(shù)值過程，要求數(shù)值模型既能考慮結(jié)構(gòu)破壞前的各項(xiàng)行為，又能正確反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞后，破損塊體與結(jié)構(gòu)碎片之間相互碰撞、接觸等行為，因此數(shù)值模型的正確選擇是整個(gè)模擬過程的關(guān)鍵。在有限元法基礎(chǔ)上同時(shí)考慮接觸非線性和單元生死的數(shù)值模型，則可以較好模擬砌體結(jié)構(gòu)在地震作用下的整個(gè)破壞過程中的受力行為，同時(shí)有很多的源代碼支持和已經(jīng)存在的計(jì)算程序［7］，具有普遍適用性。本研究采用顯式非線性有限元程序分析軟件LS－DYNA進(jìn)行分析，采用非線性生死單元和接觸算法，來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞過程的仿真模擬。具體實(shí)現(xiàn)方法如下［8－11］：

（1）采用接觸算法，即把結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件間設(shè)定為接觸關(guān)系，將構(gòu)件自身內(nèi)部單元設(shè)定為自體接觸，實(shí)現(xiàn)對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的破壞、撞擊甚至坍塌過程的仿真模擬。

（2）運(yùn)用LS－DYNA提供的子程序接口，編制能夠去除最大應(yīng)變大于預(yù)定限值單元的生死控制子程序，鋼筋拉斷應(yīng)變?nèi)?．01，墻體拉碎應(yīng)變和壓碎應(yīng)變?nèi)?．001 3，梁和預(yù)制板不考慮單元生死。

2 加固方法與模型建立

2．1 體外預(yù)應(yīng)力筋加固法

詳細(xì)加固方法如圖1所示，具體步驟［12］如下：

（1）在工廠加工預(yù)制鋼構(gòu)件，利用植筋螺栓將它們固定于構(gòu)造柱上，同時(shí)使用建筑膠進(jìn)行二次固定。固定好的預(yù)制鋼構(gòu)件為縱向預(yù)應(yīng)力筋和橫向預(yù)應(yīng)力筋提供了張拉錨固的固定支撐支座。在錨固橫縱預(yù)應(yīng)力筋時(shí)需要將二者錯(cuò)開一定的距離，防止二者交叉干擾。

圖1 體外預(yù)應(yīng)力筋抗震加固Fig．1 Sketch of reinforcement details by externally prestressed bars

（2）在柱角的相交處縱橫向的鋼構(gòu)件上，焊接三角形鋼板，為固定豎向預(yù)應(yīng)力筋提供支座。

（3）豎向預(yù)應(yīng)力筋一端錨固在柱頂，另一端預(yù)埋在模型的臺(tái)座內(nèi)。

2．2 模型建立

以縱墻承重、大開間、有外走廊的6層預(yù)制板砌體結(jié)構(gòu)為分析對(duì)象，采用空間三維實(shí)體建模，對(duì)加固前和加固后的砌體結(jié)構(gòu)破壞過程進(jìn)行模擬。有限元模型如圖2所示。層高均為2．8 m，每層設(shè)有3個(gè)房間，每個(gè)房間為7．5 m×6．5 m，外挑走廊1．2 m寬，各個(gè)房間靠近走廊側(cè)設(shè)有2個(gè)門洞和1個(gè)窗洞，門洞尺寸為0．9 m×2．3 m，窗洞尺寸為1．75 m× 1．5 m，沒有走廊一側(cè)墻上有3個(gè)窗洞，大小為1．75 m×1．5 m。外墻厚380 mm，樓板厚100 mm。模型應(yīng)用Solid65單元進(jìn)行離散，鋼筋應(yīng)用LINK8單元進(jìn)行離散?；炷亮汉蛪w采用LS－DYNA中的材料Material3，Plastic Kinematic模型。構(gòu)造柱單元與圈梁的混凝土選取LS－DYNA中的混凝土本構(gòu)模型，預(yù)應(yīng)力筋、構(gòu)造柱單元和圈梁中鋼筋采用LS－DYNA提供的分離鋼筋模型。砌體材料密度設(shè)定為1 600 kg／m3，泊松比設(shè)定為0．2，彈性模量設(shè)定為30 GPa，開裂強(qiáng)度值設(shè)定為0．5 MPa，開裂后軟化剛度值設(shè)定為－2 GPa；混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)定為25 MPa，預(yù)制板采用彈性模型。整個(gè)仿真分析計(jì)算方法采用動(dòng)力時(shí)程法，仿真模擬時(shí)輸入的地震波為EL Centro波，該輸入波是經(jīng)過比例放大得到，橫向最大地面峰值加速度為2．8 m／s2，縱向?yàn)?．1 m／s2，豎向?yàn)?．7 m／s2，時(shí)長(zhǎng)10 s。

圖2 砌體結(jié)構(gòu)模型圖Fig．2 M asonry structuremodel

3 模擬結(jié)果分析

對(duì)三維實(shí)體模型輸入地震波后，得到了基本沒有采取任何抗震措施的砌體結(jié)構(gòu)在2．8 m／s2地面加速度作用下從開裂、破壞，直至最終倒塌的全過程，具體情況見圖3。

圖3 加固前砌體結(jié)構(gòu)破壞過程Fig．3 Destruction of unreinforced masonry structure

由圖3可知：3．5 s時(shí)，第一層部分墻體損壞，預(yù)制板松動(dòng)掉落，梁損壞并出現(xiàn)塌落（圖3（b））。5．5 s時(shí)，第一層整體坍塌，第二層因此喪失承載力（圖3（c））。6．5 s后，結(jié)構(gòu)徹底垮塌（圖3（d））。預(yù)制板松動(dòng)掉落是造成砌體結(jié)構(gòu)整體坍塌的主要原因，由此也可知道，如果不能有效地拉結(jié)錨固預(yù)制樓板，將難以避免由于樓板掉落而造成的結(jié)構(gòu)破壞和人員傷亡。從圖3中也可以了解砌體結(jié)構(gòu)在較大地震時(shí)大概要經(jīng)過以下5個(gè)過程：①由于水平結(jié)構(gòu)的晃動(dòng)，導(dǎo)致?lián)p傷累積，使柱底端產(chǎn)生裂紋，構(gòu)件局部壓碎，在自重作用下結(jié)構(gòu)有一個(gè)接近垂直墜落的過程；②出現(xiàn)重力二階效應(yīng)（簡(jiǎn)稱P-Δ效應(yīng)），構(gòu)件繞結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，又有傾倒之勢(shì)；③結(jié)構(gòu)出現(xiàn)分離、解體現(xiàn)象，個(gè)別構(gòu)件開始獨(dú)立運(yùn)動(dòng)；④上部的砌體結(jié)構(gòu)被甩出，其它層的砌體結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)大面積的破壞，只是出現(xiàn)了裂紋擴(kuò)展；⑤隨著地震的持續(xù)，結(jié)構(gòu)觸地堆積，結(jié)構(gòu)徹底解體。這與實(shí)際觀察到的結(jié)構(gòu)倒塌過程是相吻合的，間接證明了模型建立的正確性。

由圖4可知：采用體外預(yù)應(yīng)力筋加固后的砌體結(jié)構(gòu)具有很好的抗震性，沒有出現(xiàn)大面積坍塌，保持了較好的完整性。只是在4．5 s時(shí)，在外側(cè)橫墻位置的梁出現(xiàn)松動(dòng)并墜落，與梁連接的預(yù)制板掉落到第六層樓板上，如圖4（b）。在此之后，結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷。

圖4 加固后砌體結(jié)構(gòu)破壞過程Fig．4 Destruction of reinforced masonry structure

由圖3與圖4、圖5（a）與圖5（b）對(duì)比分析可知：在強(qiáng)震作用下的砌體結(jié)構(gòu)，門窗角部和梁下部有較嚴(yán)重開裂。門窗角部開裂是角部集中應(yīng)力所導(dǎo)致，而梁下部開裂是由于水平力作用使梁產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)進(jìn)而造成梁周圍墻體出現(xiàn)裂縫。未加固砌體結(jié)構(gòu)的樓板脫空現(xiàn)象明顯，發(fā)生時(shí)間較早，底層是薄弱環(huán)節(jié)。加固后砌體結(jié)構(gòu)底部預(yù)制板一直與圈梁緊密連接，墻體裂縫開展的時(shí)間推遲了，裂縫分布變得稀疏，深度減小了，雖在強(qiáng)震作用下，但結(jié)構(gòu)仍然保持較好的整體性。對(duì)比結(jié)果表明體外預(yù)應(yīng)力筋提供的主動(dòng)約束力可有效限制被加固砌體結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生和開展，并且有效防止樓板與圈梁脫空，該加固方法能夠提高砌體結(jié)構(gòu)的整體抗震能力，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)震不倒。

圖5 加固前后砌體結(jié)構(gòu)裂縫分布圖Fig．5 Distribution of cracks in themasonry structure before and after reinforcement

圖6給出了加固前和加固后砌體結(jié)構(gòu)3個(gè)不同樓層的水平位移曲線，由圖可以看出，在6 s之前，加固后砌體結(jié)構(gòu)的水平位移小于加固前砌體結(jié)構(gòu)的水平位移，表明采用體外預(yù)應(yīng)力筋加固的方法可以有效地控制樓層的側(cè)移，提高了砌體結(jié)構(gòu)抗震能力。還可以看出加固前砌體結(jié)構(gòu)的水平位移呈逐漸減小趨勢(shì)，最終幾乎趨近于零，大約在6 s以后加固后砌體結(jié)構(gòu)的水平位移大于加固前砌體結(jié)構(gòu)的水平位移，因?yàn)槲唇?jīng)加固的結(jié)構(gòu)底部在接近6 s時(shí)已經(jīng)失效，不再承重，使上部結(jié)構(gòu)開始垂直觸地運(yùn)動(dòng)，加固后砌體未出現(xiàn)整體坍塌，這與圖3和圖4結(jié)果相吻合，表明體外預(yù)應(yīng)力筋加固砌體結(jié)構(gòu)方法效果良好。

圖6 加固前后砌體結(jié)構(gòu)水平位移曲線Fig．6 Curves of lateral displacement of themasonry structure before and after reinforcement

4 結(jié) 論

（1）采用體外預(yù)應(yīng)力法加固砌體結(jié)構(gòu)可以提高砌體結(jié)構(gòu)的整體剛度和抗側(cè)移能力，使砌體結(jié)構(gòu)在同等震級(jí)的作用下有效減小橫向水平位移，從而使加固后砌體結(jié)構(gòu)滿足抗震要求。

（2）體外預(yù)應(yīng)力筋對(duì)砌體結(jié)構(gòu)提供的主動(dòng)約束力可有效限制被加固砌體結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生和開展，同時(shí)有效防止預(yù)制板的脫空現(xiàn)象，提高了砌體結(jié)構(gòu)整體抗震能力。

（3）砌體結(jié)構(gòu)的門窗角部及其周圍墻體、梁下是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在進(jìn)行實(shí)際加固設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將該部分作為抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，對(duì)其施加多向體外預(yù)應(yīng)力。

［1］ 劉海卿，倪鎮(zhèn)國(guó)，歐進(jìn)萍．強(qiáng)震作用下砌體結(jié)構(gòu)倒塌過程仿真分析［J］．地震工程與工程振動(dòng)，2008，28（5）：38－42．（LIU Hai-qing，NI Zhen-guo，OU Jin-ping．Simulation Analysis of the Collapse Response of Masonry Structures Subjected to Strong Ground Motion［J］．Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2008，28（5）：38－42．（in Chinese））

［2］ 程文?h．混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008．（CHENGWen-rang．Design of Concrete and Masonry Structure［M］．Beijing：China Architecture and Building Press，2008．（in Chinese））

［3］ GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．（GB 50011—2010，Code for Seismic Design of Buildings［S］．（in Chinese））

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［5］ 劉海卿，李海靜，趙建軍．碳纖維加固鋼筋混凝土框架廠房及抗震分析［J］．工業(yè)建筑，2010，40（12）：102－106．（LIU Hai-qing，LIHai-jing，ZHAO Jian-jun．A-nalysis of Anti-seismic Performance of RC Frame Structure［J］．Industrial Construction，2010，40（12）：102－106．（in Chinese））

［6］ 卓尚木，董振祥．鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)事故分析與加固［M］．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997．（ZHUO Shang-mu，DONG Zhen-xiang．Accident Analysis and Strengthening of Reinforced Concrete Structure［M］．Beijing：China Architecture and Building Press，1997．（in Chinese））

［7］ 江見鯨，陸新征，葉列平．混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2005．（JIANG Jian-jing，LU Xin-zheng，YE Lie-ping．Finite Element Analysis of Concrete Structures［M］．Beijing：Tsinghua University Press，2005．（in Chinese））

［8］ 林旭川，陸新征，葉列平．砌體結(jié)構(gòu)的地震倒塌模擬與分析［C］∥汶川地震建筑震害調(diào)查與災(zāi)后重建報(bào)告．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008：285－292．（LIN Xuchuan，LU Xin-zheng，YE Lie-ping．Simulation Analysis of Collapse Response of Masonry Structures［C］∥Investigation of Damage Caused by the Earthquake in Wenchuan and Report of Post-disaster Reconstruction Planning．Beijing：China Architecture and Building Press，2008：285－292．（in Chinese））

［9］ 蔡賢輝，李 剛，程耿東．提高砌體結(jié)構(gòu)抗震能力對(duì)策及問題［J］．大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，49（5）：625－630．（CAI Xian-hui，LI Gang，CHENG Geng-dong．Countermeasures and Problems for Seismic Enhancement ofMasonry Structures［J］．Journal of Dalian University of Technology，2009，49（5）：625－630．（in Chinese））

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［11］DOHERRY K，GRIFFITH M C，LAM N，et al．Displacement-Based Seismic Analysis for Out-of-Plane Bending of Unreinforced Masonry Walls［J］．Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2002，31（4）：833－850．

［12］陳紅媛，房貞政．設(shè)有圈梁與構(gòu)造柱的砌體結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力筋抗震加固試驗(yàn)研究［J］．地震工程與工程振動(dòng)，2011，31（4）：120－126．（CHEN Hong-yuan，F(xiàn)ANG Zhen-zheng．Experimental Research on Seismic Performance ofMasonry Structurewith Ring Beams and Constructional Columns Strengthened by Prestressed Bars［J］．Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2011，31（4）：120－126．（in Chinese） ）

（編輯：劉運(yùn)飛）

Simulation Analysis on Seism ic Performance of Masonry Structure Reinforced with Externally Prestressed Bars

ZHU Bai-ru，LIU Hai-qing
（School of Architectural Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China）

To research the seismic performance of masonry structure reinforced by prestressed bars，the whole processes of earthquake action on both reinforced and unreinforced masonry structureswere simulated by using LSDYNA software．The analysis results show that prestressed bars have obviously limited the development of cracks，and effectively prevented the precast slabs from being disengaged from the wall．Externally prestressed bars can reduce the lateral displacement ofmasonry structure，increase its strength and stiffness，and improve its anti-seismic performance．Therefore，it’s of practical significance to reinforcemasonry structurewith externally prestressed bars．

masonry structure；externally prestressed bar；numerical simulation；anti-seismic performance

TU362；TU352．11

A

1001－5485（2013）11－0086－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．017

2012－09－10；

2012－10－11

遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20102091）；遼寧省“百千萬(wàn)人才工程”優(yōu)秀人才資助項(xiàng)目（2008921034）

祝百茹（1984－），女，遼寧海城人，博士研究生，主要從事工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)研究，（電話）15841878996（電子信箱）zhubairu6＠126．com。