單豪良等

摘 要：隨著加固領(lǐng)域的不斷發(fā)展，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固技術(shù)應(yīng)用在砌體結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具有重要的理論研究意義和應(yīng)用價(jià)值！在碳纖維布加固砌體結(jié)構(gòu)的實(shí)際工程及試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件ANSYS建立模型，對“X”型和”#”型兩種加固方式進(jìn)行模擬分析，計(jì)算結(jié)果顯示：“X”型加固方式能獲得更大的極限荷載和極限位移。

關(guān)鍵詞：碳纖維布；砌體加固；抗震特性；有限元

Abstract： With the continuous development of reinforcement field， the use of fiber reinforced polymer in masonry structures has important theoretical significance and applied value. On the basis of the engineering and experiment for masonry walls strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymer， “X” and “#” strengthening type are analyzed with ANSYS. The results show： the "X" type reinforcement method can obtain the ultimate load and ultimate displacement bigger.

Key words： CFRP； masonry reinforcement； seismic characteristics； Finite element

引言

碳纖維布加固技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已較成熟，而粘貼碳纖維布對磚砌體進(jìn)行加固在國內(nèi)外仍處于試驗(yàn)研究的初始階段。碳纖維布加固砌體結(jié)構(gòu)具有施工便捷、高強(qiáng)高效、不增加構(gòu)件的自重與體積、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，在工程中有廣闊的應(yīng)用前景。

1.有限元模型的建立

黏土磚與砂漿有著完全不同的性質(zhì)，所以采用有限元軟件ANSYS對磚砌體進(jìn)行模擬有一定的難度. 為了提高分析效率，本文采用整體式考慮法.將黏土磚和砂漿作為一個(gè)整體考慮，忽略兩種材料之間性質(zhì)的不同進(jìn)行建模。

采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行模擬分析時(shí)，為了定義磚砌體與碳纖維布的材料特性，需要給出磚砌體與碳纖維布的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。黏土磚采用強(qiáng)度等級(jí)為Mu10的普通黏土磚，砂漿采用強(qiáng)度等級(jí)為M5的水泥砂漿，磚砌體本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式

式中： 為與塊材類別和砂漿強(qiáng)度有關(guān)的彈性特征值，取 =460。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖1所示。

根據(jù)碳纖維布的基本性能，在有限元模擬過程中，假定碳纖維布是一種理性彈性材料，在受力過程中始終處于彈性階段，因此碳纖維布的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示。

墻體加固示意圖如圖3所示.W-1為未加固墻體，W-2為交叉粘貼碳纖維布?jí)w，W-3為“#”字形粘貼碳纖維布?jí)w。有限元軟件ANSYS中沒有專門模擬磚砌體材料的單元，磚砌體與頂梁、底梁均采用solid65實(shí)體單元，該單元可以模擬材料破壞時(shí)的脆性性質(zhì)，也可以模擬實(shí)體的受拉裂縫和壓碎。碳纖維布采用shell41膜單元，這種單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上具有沿X、Y、Z方向的平動(dòng)自由度，并且提供了材料的方向角，用來確定碳纖維增強(qiáng)的方向，該單元適合于彈性、薄壁殼體的結(jié)構(gòu)分析，所以適合用來模擬碳纖維布。

磚砌體墻及碳纖維布均采用映射網(wǎng)格劃分，之間的連接采用節(jié)點(diǎn)耦合方式，使它們之間有相同的節(jié)點(diǎn)位移，這種連接方式認(rèn)為墻體與碳纖維布完全變形協(xié)調(diào)。

3.有限元計(jì)算及結(jié)果分析

磚砌體墻需要施加豎向荷載以及水平的低周反復(fù)荷載。為了模擬 4 層宿舍樓的底層橫墻，通過計(jì)算，墻體上豎向荷載取0.6MPa，作為面荷載分為5個(gè)荷載步逐步加到墻體頂面。水平低周反復(fù)荷載施加在墻體頂部，先將頂面所有節(jié)點(diǎn)耦合到一個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后向這一點(diǎn)施加集中荷載，沿著墻體寬度的方向，采用逐級(jí)增大位移的方式施加水平荷載。施加水平荷載的同時(shí)，豎向荷載保持恒定不變。在墻底施加 X，Y，Z三個(gè)方向的約束，如圖4所示。

3.2 應(yīng)力分析

3.2.1 墻體應(yīng)力分析

（1）Von Mises 應(yīng)力最大值出現(xiàn)在墻底以及墻體的中下部，為。在距墻底 1/4 到 1/3 墻高的部位應(yīng)力、變形均較大，是易發(fā)生破壞的部位。

（2）應(yīng)力集中出現(xiàn)在墻體底部，且應(yīng)力分布極不均勻，相差較大。

3.2.2 碳纖維布應(yīng)力分析

（1）碳纖維布發(fā)揮了其拉力作用，在最容易破壞的部位（即墻體底部）產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，隨著碳纖維布向上延伸，其拉應(yīng)力也逐漸變小；

（2）墻體較容易破壞的部位（即墻體的中下部），碳纖維布發(fā)生變形，向外凸出，類似于試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的空鼓現(xiàn)象；

（3）碳纖維布“Х ”型加固比“#”型加固方式的拉應(yīng)力值更大，發(fā)揮拉力作用的碳纖維布面積更大，材料特性較充分的利用。從經(jīng)濟(jì)效益上講，“Х ”型加固方式更具有經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 位移分析

極限荷載和極限位移

由表 3.1-3.2 可以看出：

（1）加固后極限位移提高：與未加固的試件相比，兩種加固方式均能使墻體的變形能力提高，能較多吸收地震產(chǎn)生的能量“Х”型加固方式效果更好一些。

（2）加固后極限荷載提高：與未加固試件相比， “Х ”型加固方式比“#”型加固方式提高了 12.5%。

4.結(jié)論

通過對加固砌體結(jié)構(gòu)有限元模型的建立和分析，可以得出以下主要結(jié)論：

①從應(yīng)力方面分析，碳纖維布發(fā)揮了其拉力作用，減小墻體應(yīng)力，提高極限承載力。

②從位移方面分析，加固墻體的極限位移有很大提高，“X”型碳纖維布加固墻體W2較“#”型加固墻體W3加固效果更好。

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【作者簡介】單豪良（1983-），男，浙江紹興人，講師，長期從事建筑結(jié)構(gòu)有限元分析和抗震研究。