玄武巖纖維布加固框架結(jié)構(gòu)抗震性能數(shù)值分析

張瀠心，楊德健，張曉雪

(天津城建大學 土木工程學院，天津 300384)

土木工程

玄武巖纖維布加固框架結(jié)構(gòu)抗震性能數(shù)值分析

張瀠心，楊德健，張曉雪

(天津城建大學 土木工程學院，天津 300384)

利用玄武巖纖維布對九層框架的梁柱節(jié)點進行了加固，運用ANSYS有限元分析軟件對不同加固方案下結(jié)構(gòu)的整體抗震性能進行了動力分析．分析結(jié)果表明，在玄武巖纖維布用料相同的條件下，局部加固框架的角柱節(jié)點比邊柱節(jié)點更有助于提高框架結(jié)構(gòu)的抗震能力，且在地震作用下，采取整體加固的方案更有助于提高框架結(jié)構(gòu)的安全性．

框架結(jié)構(gòu)；抗震性能；玄武巖纖維布加固；數(shù)值分析

近年來，我國各地震區(qū)內(nèi)鋼筋混凝土框架房屋較多，在設(shè)計房屋時采取了一些構(gòu)造措施來增加結(jié)構(gòu)的延性[1]，但是從汶川地震的震害調(diào)查結(jié)果來看，大部分框架結(jié)構(gòu)均發(fā)生了梁柱節(jié)點的破壞，其中柱端破壞較多，即實際工程中的框架結(jié)構(gòu)未能實現(xiàn)抗震設(shè)計中最重要的“強柱弱梁”原則[2]．因此，提高既有建筑的抗震性能具有十分重要的意義．

目前，常用的纖維材料中，玻璃纖維耐久性差且彈性模量低，芳綸纖維價格高且彈性模量低，碳纖維材料應用較為廣泛[3-4]，但是其價格較貴．相比之下，玄武巖纖維材料具有許多獨特的優(yōu)點：力學性能和耐久性優(yōu)良；原材料多且價格低廉，僅為碳纖維的1/8～1/5左右；適用于不同環(huán)境下的加固；延性好、抗拉強度高等[5]．因此，筆者選擇玄武巖纖維材料進行分析研究，建立九層的鋼筋混凝土框架模型，對比分析不同加固方案下框架節(jié)點應力狀態(tài)以及水平位移曲線，從而得到最為有效的加固方案．

1 框架結(jié)構(gòu)數(shù)值模型

參照文獻[3]，取九層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)作為研究對象．首層層高為6,m，二層至九層層高均為3,m．框架結(jié)構(gòu)的平面布置如圖1所示．梁、柱均采用強度等級為C30的混凝土，柱截面為0.6,m×0.6,m，梁截面為0.3,m×0.6,m．

本研究選取實體單元對結(jié)構(gòu)進行整體建模，框架結(jié)構(gòu)整體模型中，混凝土單元選用Solid65單元[6]；鋼筋采用在混凝土實體單元Solid65中添加配筋率的處理方式，將鋼筋按各方向體積比分布在混凝土單元中；纖維布用Shell41單元來模擬[7]．框架結(jié)構(gòu)的整體數(shù)值模型如圖2所示，模型中所定義的各材料參數(shù)見表1．

圖1 框架結(jié)構(gòu)平面布置

圖2 框架結(jié)構(gòu)整體模型

表1 模型材料參數(shù)

在對結(jié)構(gòu)數(shù)值模型進行網(wǎng)格劃分時，參照建筑實際尺寸建立的模型過于龐大，為了提高計算速率，根據(jù)加固方案的不同，對纖維布加固區(qū)域進行了尺寸較小、單元網(wǎng)格較密的劃分，對未加固部位采用較大的網(wǎng)格進行劃分．

2 玄武巖纖維布加固方案

為了比較不同加固方案對結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響[8-9]，分別設(shè)計了玄武巖纖維布局部加固框架結(jié)構(gòu)角柱節(jié)點和邊柱節(jié)點的方案，同時與整體加固全部梁柱節(jié)點的方案(既加固邊柱又加固角柱)進行對比．由于在四榀框架結(jié)構(gòu)中，邊柱和角柱的數(shù)量都為4根，具有可比性，而中柱僅有1根，在數(shù)量上與前兩種類型柱不等，不具有可比性．因此，加固方案中沒有考慮單獨加固中柱的方案，具體的加固方案見表2．

表2 玄武巖纖維加固方案

3 框架結(jié)構(gòu)動力分析

3.1 地震波的選擇

地震波的選用要綜合考慮各方面的因素，主要包括地震動強度、地震波的頻譜特性以及地震波持續(xù)時間．本研究的地震響應分析選用寧河—天津地震波，該地震波間隔0.01,s取值，總時長為5,s．分析時從所有的地震加速度取值中每0.1,s取一個值作為加速度文本文件中的數(shù)據(jù)，5,s時長一共取值50個．其中地震加速度峰值為1.22m/s，相當于0.12,g，對應地震裂度為7度的地震作用．

3.2 框架結(jié)構(gòu)動力特性

首先研究未加固的框架結(jié)構(gòu)(方案IV)在地震作用下的反應情況．在框架結(jié)構(gòu)各層的地震作用反應中，頂層由于約束較少，反應最強烈．因此，取九層框架頂部的節(jié)點進行分析，繪出在地震波作用下的框架頂層各方向位移時程曲線，如圖3所示．

由圖3可以看出，結(jié)構(gòu)在地震作用下，框架結(jié)構(gòu)頂層東西向最大位移為2.163,cm，南北向最大位移為3.46,cm，豎向位移最大值為0.17,cm．其中南北向位移最大，對結(jié)構(gòu)的安全起控制作用．因此，研究分析時以減小框架結(jié)構(gòu)頂層南北向的位移為目標進行分析．

圖3 框架頂層各方向位移時程曲線

為了更清楚的顯示框架結(jié)構(gòu)各部位在地震作用下的應力大小，給出框架的第三主應力云圖及框架梁柱節(jié)點的第三主應力云詳圖，如圖4-5所示．可知梁柱節(jié)點處所承受的應力最大，由核心區(qū)域所形成的“斜壓桿”承擔．在地震中節(jié)點的破壞導致整個框架喪失承載能力，因此，加固梁柱節(jié)點能有效地提高框架的抗震能力．

圖4 框架第三主應力云圖

圖5 框架梁柱節(jié)點第三主應力云詳圖

3.3 邊柱與角柱節(jié)點加固效果對比

為了比較在地震作用下框架結(jié)構(gòu)局部加固邊柱節(jié)點與角柱節(jié)點的差異，設(shè)計了在加固材料同為玄武巖纖維、加固層數(shù)同為四層的情況下，局部加固角柱節(jié)點和邊柱節(jié)點這兩種加固方案，得到不同方案下框架結(jié)構(gòu)的第三主應力云圖，如圖6、圖7所示．

圖6 加固角柱后框架第三主應力云圖

圖7 加固邊柱后框架第三主應力云圖

由圖6和圖7可以看出，與未加固框架相比，用玄武巖纖維布分別加固框架結(jié)構(gòu)邊柱和角柱節(jié)點后，塑性鉸的數(shù)目明顯減少，從而降低了框架結(jié)構(gòu)在地震作用中梁柱節(jié)點處發(fā)生塑性鉸破壞的可能性．表3列出了各加固方案下框架底層柱的應力值，比較方案I和方案II可知：框架結(jié)構(gòu)節(jié)點處應力均有所減小，僅加固角柱時最大應力降低了4.2%，僅加固邊柱時最大應力降低了3%．說明相比于僅加固邊柱節(jié)點的框架，僅加固角柱節(jié)點的框架應力減小明顯．

圖8 框架各層最大水平位移曲線

表3 各加固方案下底層柱的應力值 kPa

與未加固框架相比，由于加固后塑性鉸的出現(xiàn)的位置減少，增強了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，從而在水平地震作用下，框架的最大位移和各層間位移都有所減?。虼?，由圖8框架各層最大水平位移曲線可以看出，框架結(jié)構(gòu)在未加固的情況下頂層最大位移值為3.46,cm，僅加固角柱節(jié)點后的頂層最大位移為3.18,cm，與未加固相比減小了8.60%；僅加固邊柱節(jié)點后頂層最大位移為3.23,cm，與未加固相比減小了6.2%．由此表明：在玄武巖纖維布用料相同的條件下，僅加固角柱節(jié)點比僅加固邊柱節(jié)點更有助于提高框架結(jié)構(gòu)的抗震能力．從另一個角度分析，角柱節(jié)點在地震中將先于邊柱節(jié)點破壞，而柱體的破壞將會造成結(jié)構(gòu)的整體破壞．因此，應當首先選擇對框架的角柱節(jié)點進行重點加固．

3.4 局部加固與整體加固效果對比

為了研究在加固材料及用量相同的情況下，整體加固效果與局部加固效果的差異，圖9給出了加固框架結(jié)構(gòu)全部梁柱節(jié)點的第三主應力云圖．

圖9 方案IV的框架第三主應力云圖

將圖9與前三個方案的框架第三主應力云圖進行比較，可以看出加固全部梁柱節(jié)點使框架結(jié)構(gòu)在受力上更加均勻，塑性鉸出現(xiàn)位置明顯減少．由表3可以得出，整體加固的方案應力降低6.6%，與局部加固方式相比應力減小明顯．對比圖8中整體與局部加固方案下框架各層的最大水平位移曲線，從中可以看出用2層纖維布加固框架結(jié)構(gòu)所有梁柱節(jié)點的頂層最大位移為3.08,cm，而用4層纖維布局部加固角柱節(jié)點及邊柱節(jié)點的最大位移分別為3.18,cm及3.23,cm．由此看出，用2層纖維布既加固邊柱節(jié)點又加固角柱節(jié)點的方案，與用4層纖維布單獨加固角柱節(jié)點或邊柱節(jié)點的方案在玄武巖纖維布用量上是相同的．因此，根據(jù)以上的分析可以看出，在條件允許的情況下，整體加固的框架抗震能力明顯優(yōu)于局部加固的框架．

4 結(jié) 論

本文利用ANSYS軟件對玄武巖纖維加固的框架結(jié)構(gòu)進行地震作用下的時程分析．在分析時先建立有限元模型，進行正確的網(wǎng)格劃分，得到結(jié)構(gòu)的基本動力特性，對比了不同加固方案對結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響，得出以下結(jié)論．

(1)與未加固的框架相比，加固后結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸的位置明顯減少，整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度有了一定的提高，從而減小了框架結(jié)構(gòu)各層的最大水平位移，結(jié)構(gòu)的抗震性能增強．

(2)在玄武巖纖維布用料相同的條件下，加固框架的角柱節(jié)點與加固邊柱節(jié)點相比，出現(xiàn)塑性鉸的幾率低、結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)移剛度提高明顯、框架各層的水平位移減小顯著．因此，僅加固角柱比僅加固邊柱更有助于提高框架結(jié)構(gòu)的抗震能力，應當首先選擇對角柱節(jié)點進行重點加固．

(3)如果條件允許，在玄武巖纖維布用量一定的情況下，整體加固梁柱節(jié)點的方案更有利于提高框架結(jié)構(gòu)的抗震性能．

［1］ 潘 毅，季晨龍，王 超. 日本地震中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)震害及分析[J]. 工程抗震與加固改造，2012，34(4)：122-133．

［2］ 余江滔，陸洲導. 震損鋼筋混凝土框架節(jié)點修復后抗震性能試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學報，2010，31(12)：64-73．

［3］ 鄭七振，王 東，唐 玉，等. 碳纖維布加固混凝土框架抗震性能試驗研究[J]. 建筑材料學報，2011，14(5)：591-596．

［4］ SANT H R，CHANDRASEKARAN E，DHANARA J R. Analysis of retrofitted reinforced concrete shear beams using carbon fiber composites[J]. Electronic Journal of Structural Engineering，2004(4)：66-74．

［5］ 齊建林，朱 江. 玄武巖纖維在混凝土中的應用與研究進展[J]. 混凝土，2011(7)：46-49．

［6］ 趙志平，常建立，楊曉光. 利用ANSYS對碳纖維布加固RC梁的非線性有限元分析[J]. 四川建筑科學研究，2006，32(1)：79-83．

［7］ 冼巧玲，江傳良，周福霖. 混凝土框架節(jié)點碳纖維布抗震加固的試驗與分析[J]. 地震工程與工程振動，2007，27(2)：104-111．

［8］ 王作虎，杜修力，鄧宗才. 不同加固方式對混凝土梁柱節(jié)點抗震性能的影響[J]. 震災防御技術(shù)，2010，5(1)：1-8．

［9］ 蘇 磊，陸洲導，張克純. BFRP加固震損混凝土框架節(jié)點抗震性能試驗研究[J]. 東南大學學報：自然科學版，2010，40(3)：559-564．

（編輯校對：張?zhí)m娜）

Numerical Analysis on Seismic Behavior of Frame Structure Strengthened by Basalt Fiber Cloth

ZHANG Ying-xin，YANG De-jian，ZHANG Xiao-xue
(School of Civil Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

The beam-column joints of a nine-layered frame are strengthened with basalt fiber cloth，and a dynamic analysis of the overall seismic behavior of the structure under different reinforcement schemes is carried out by using ANSYS finite element analysis software. The analysis results show that，when using the same basalt fiber cloth material，compared with the side column joints，the corner column joints of the local reinforcement frame is more helpful to improve the seismic behavior of the frame structure；and during earthquake，taking the overall reinforcement scheme is more helpful to improve the safety of the frame structure.

frame structure；seismic behavior；reinforcement by basalt fiber cloth；numerical analysis

TU375.4

A

2095-719X(2014)05-0307-04

2014-01-15；

2014-03-28

張瀠心（1990—），女，天津人，天津城建大學碩士生.