地震作用下加固砖砌体房屋力学特性数值模拟

孙大行，徐建新，丁 峰

(1.河北联合大学河北省地震工程研究中心，河北唐山063009;2.河北联合大学校园规划建设处，河北唐山063009)

0 引言

在我国，存在较多的由低强砂浆砌筑的砌体房屋和历史建筑。然而我国是一个多震带国家。这给我们带来了巨大的灾难，其中地震的直接经济损失是由房屋的倒塌所造成的。为了避免地震给我们带来巨大的灾难，我们就需要在结构或是构造上给这些房屋加固［1，2］。不管我们用什么方法给建筑物提高抗震性能，我们都不知道这一方案给建筑物所带来的确切的效果。对于这种情况，目前有三种手段进行分析加固效果。第一种，实物实地检测;第二种，做试验;第三种，数值模拟［3，4］。课文采用第三种方案，因为这种方案耗费的时间短，节省很多的劳动力，可以做各种各样的大量加固方法的研究。以砖砌筑房屋为研究对象，应用ANSYS建立不同方案的碳纤维布加固模型，考察砌体结构在不同的加固方案下受外力作用效果，最后得出最优的加固方案，为碳纤维在砌体房屋加固中提供理论支持［5，6］。

1 有限元计算模型

1.1 模型的简化

模型为3 m×3 m×3 m的整体砖砌体房屋，墙体的厚度为200 mm，墙的四角有构造柱，构造柱横截面尺寸为200 mm× 200 mm，在墙高 2.75 m至2.9 m之间有圈梁，顶板厚度100 mm。模型中混凝土采用 C30，构造柱和圈梁配有 4根HRB400钢筋。构造柱中配筋的间距为150 mm;圈梁配筋高度方向间距50 mm，水平方向间距为100 mm;顶板的配筋在顶板的中间部位，钢筋等级为HRB335，双向配筋，间距为100 mm。采用ANSYS有限元软件建立模型进行分析。砖和混凝土材料选用Solid65单元;钢筋选用link8单元;碳纤维选用shell41膜单元，这种单元只能承受拉应力而不能承受压应力。在划分网格以后，砖、混凝土、钢筋和碳纤维共用节点，如图1所示。

图1 房屋模型图

1.2 单元划分和加载制度

在计算过程中对模型底部的节点在X、Y、Z三个方向上固定，即底部的节点不会出现位移，其余部分节点没有施加约束，在一定力的作用下，会出现相应的位移。在坐标X1.5 m与Y2.75～3 m所围成的右墙上部区域施加负X方向水平面荷载，每步的荷载值为50N，即50N、100N、150N、200N等值加载。对房屋的墙体、构造柱和圈梁采用规则划分，单元的边长为0.05 m。

1.3 加固方案

本文中研究的加固方案共有三个，加固方案W1:在与X轴垂直的右墙中间的两侧分别竖向粘贴碳纤维布，碳纤维布的宽度为0.1m，长为3m。加固方案W2:在在与X轴垂直的右墙上的两侧粘贴碳纤维布，共粘贴6条碳纤维布，中间位置的碳纤维坐标与方案1的坐标相同，上下粘贴的碳纤维布与中间的距离为0.6m，碳纤维布的宽度为0.1 m，长为3 m，如图2所示。

2 结构有限元分析

2.1 加固房屋应力分析

图2 固定与加载面

在房屋模型中构造柱和圈梁材料是钢筋混凝土，墙体是砖，因此构造柱和圈梁的抗拉强度、抗剪能力都是远大于墙体的，破坏是从墙体开始的，而且现实砖砌体结构中都是主要由墙体来承受外部荷载作用，所以在有限元模型分析中以墙体为研究对象，分析各种加固方案对于房屋墙体最大应力的影响。

房屋在1.4 kN荷载作用下，加固模型墙体的最大应力都要小于未加固模型墙体的最大应力，说明使用碳纤维布加固砖砌体房屋可以增强墙体的耗能能力，提高墙体的开裂荷载，使墙体的应力变化更为均匀，减小墙体的应力集中。具体分析:模型W1和模型W3在都是在作用力垂直墙体上粘贴相同方向的碳纤维，只是粘贴面积不同，模型W1的最大应力值为25.6 MPa，相对于模型W的应力减小百分比为11.76%，模型W3的最大应力值为19.1 MPa，相对于模型W的应力减小百分比为34.1%，说明在作用力垂直墙体上，对于墙体最大应力的影响取决粘贴碳纤维布的面积。

2.2 模型W1上碳纤维应力位移分析

根据碳纤维中部节点位移-应力曲线图3可以较为容易的看出，在中部节点在前26个荷载布内，位移在0～7.9×10－4m之间，应力的变化相当的小，说明在此之间，房屋墙体中部节点的位移、应力变化也是很小的，这时墙体没有产生裂缝，或者是裂缝扩展的很缓慢，碳纤维分担荷载的作用很小;在第26荷载步时，节点的应力和位移都出现突变，说明是墙体出现裂缝，或是裂缝发展的很快，碳纤维分担荷载作用开始明显;在荷载布26～30之间，碳纤维中部节点在7.9×104～11.5×104m之间，应力值由0.5 MPa快速的上升到35.8 MPa，说明在此之间墙体的裂缝急速出现，或是墙体的裂缝快速的发展，碳纤维布分担荷载作用明显。

2.3 模型W2上碳纤维应力位移分析

根据碳纤维中部节点位移-应力曲线图4可以较为容易的看出，在中部节点在前25个荷载布内，位移在0～8.1×10－4m之间，应力的变化相当的小，说明在此之间，房屋墙体中部节点的位移、应力变化也是很小的，这时墙体没有产生裂缝，或者是裂缝扩展的很缓慢，碳纤维分担荷载的作用很小;在第25荷载步时，节点的应力和位移都出现明显变化，说明是墙体出现裂缝，或是裂缝发展较快，碳纤维分担荷载作用开始明显;在荷载布25～30之间，碳纤维中部节点在8.1×104～25.7×104m之间，应力值由0.4 MPa快速的上升到35.8 MPa，说明在此之间墙体的裂缝快速出现，或是墙体的裂缝快速的发展，碳纤维布分担荷载作用明显。

3 结论

利用ANSYS有限元分析软件建立碳纤维布加固数值分析模型，分析碳纤维布加固砖砌体房屋抗震力学特性以及不同方式粘贴碳纤维布对于砖砌体房屋的影响，通过各模型结果的对比，得出以下结论:

1)粘贴碳纤维布可以有效的控制砖砌体房屋的裂缝发展，使之不会突然的大面积出现，从而使裂缝分布更为均匀。

2)碳纤维布加固砖砌体房屋可以分担部分房屋受到的地震力荷载，在相同的荷载作用下，能够有效地减小砖体应力，增加砖砌体的延性。

3)使用相同面积的碳纤维布加固砌体时，在与施加作用力垂直的墙体上竖向粘贴碳纤维布时，对于房屋的抗侧倒能力提高最大;对于最大应力控制最强;在房屋墙体上对角粘贴碳纤维布时，对于房屋侧向位移影响最小，最大应力控制介于横向和竖向粘贴方案之间，但能够提高房屋的整体性。因此，在砖砌体房屋抗震加固中，最优的粘贴方式是在房屋墙体的竖向、横向与对角相结合处粘贴碳纤维布。

［1］ 闫旭，张丽.我国砌体结构研究进展及新材料应用［J］.山西建筑，2006(13):65-69.

［2］ 王琛，李静.我国砌体结构的发展现状与方向［J］.河南建材，2009(4):76-82.

［3］ 陈立春.体外预应力纤维增强塑料片材在加固桥梁结构中的应用［J］.中国对外贸易，2011(22):14-20.

［4］ 陈瑶艳，王柏生，张彬彬.普通玻璃纤维布加固多孔砖砌体的抗震性能试验研究［J］.工业建筑，2004(7):55-59.

［5］ 吴体，张翼，侯汝欣.关于砌体结构设计规范中的几个问题［C］.2007年全国砌体结构与墙体材料理论及其工程应用会议，2007.

［6］ 姚元.碳纤维加固严重破坏砌体墙的试验研究［D］.重庆:重庆大学土木工程学院，2010.