碳纤维布加固砌体墙抗震的有限元分析

单豪良等

摘 要：随着加固领域的不断发展，纤维增强复合材料加固技术应用在砌体结构领域具有重要的理论研究意义和应用价值！在碳纤维布加固砌体结构的实际工程及试验的基础上，利用有限元软件ANSYS建立模型，对“X”型和”#”型两种加固方式进行模拟分析，计算结果显示：“X”型加固方式能获得更大的极限荷载和极限位移。

关键词：碳纤维布；砌体加固；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

碳纤维布加固技术在混凝土结构中的应用已较成熟，而粘贴碳纤维布对砖砌体进行加固在国内外仍处于试验研究的初始阶段。碳纤维布加固砌体结构具有施工便捷、高强高效、不增加构件的自重与体积、耐久性好等优点，在工程中有广阔的应用前景。

1.有限元模型的建立

黏土砖与砂浆有着完全不同的性质，所以采用有限元软件ANSYS对砖砌体进行模拟有一定的难度. 为了提高分析效率，本文采用整体式考虑法.将黏土砖和砂浆作为一个整体考虑，忽略两种材料之间性质的不同进行建模。

采用有限元软件ANSYS进行模拟分析时，为了定义砖砌体与碳纤维布的材料特性，需要给出砖砌体与碳纤维布的应力-应变关系曲线。黏土砖采用强度等级为Mu10的普通黏土砖，砂浆采用强度等级为M5的水泥砂浆，砖砌体本构关系表达式

式中： 为与块材类别和砂浆强度有关的弹性特征值，取 =460。应力应变关系如图1所示。

根据碳纤维布的基本性能，在有限元模拟过程中，假定碳纤维布是一种理性弹性材料，在受力过程中始终处于弹性阶段，因此碳纤维布的应力应变关系曲线如图2所示。

墙体加固示意图如图3所示.W-1为未加固墙体，W-2为交叉粘贴碳纤维布墙体，W-3为“#”字形粘贴碳纤维布墙体。有限元软件ANSYS中没有专门模拟砖砌体材料的单元，砖砌体与顶梁、底梁均采用solid65实体单元，该单元可以模拟材料破坏时的脆性性质，也可以模拟实体的受拉裂缝和压碎。碳纤维布采用shell41膜单元，这种单元在每个节点上具有沿X、Y、Z方向的平动自由度，并且提供了材料的方向角，用来确定碳纤维增强的方向，该单元适合于弹性、薄壁壳体的结构分析，所以适合用来模拟碳纤维布。

砖砌体墙及碳纤维布均采用映射网格划分，之间的连接采用节点耦合方式，使它们之间有相同的节点位移，这种连接方式认为墙体与碳纤维布完全变形协调。

3.有限元计算及结果分析

砖砌体墙需要施加竖向荷载以及水平的低周反复荷载。为了模拟 4 层宿舍楼的底层横墙，通过计算，墙体上竖向荷载取0.6MPa，作为面荷载分为5个荷载步逐步加到墙体顶面。水平低周反复荷载施加在墙体顶部，先将顶面所有节点耦合到一个节点，然后向这一点施加集中荷载，沿着墙体宽度的方向，采用逐级增大位移的方式施加水平荷载。施加水平荷载的同时，竖向荷载保持恒定不变。在墙底施加 X，Y，Z三个方向的约束，如图4所示。

3.2 应力分析

3.2.1 墙体应力分析

（1）Von Mises 应力最大值出现在墙底以及墙体的中下部，为。在距墙底 1/4 到 1/3 墙高的部位应力、变形均较大，是易发生破坏的部位。

（2）应力集中出现在墙体底部，且应力分布极不均匀，相差较大。

3.2.2 碳纤维布应力分析

（1）碳纤维布发挥了其拉力作用，在最容易破坏的部位（即墙体底部）产生较大的拉应力，随着碳纤维布向上延伸，其拉应力也逐渐变小；

（2）墙体较容易破坏的部位（即墙体的中下部），碳纤维布发生变形，向外凸出，类似于试验过程中出现的空鼓现象；

（3）碳纤维布“Х ”型加固比“#”型加固方式的拉应力值更大，发挥拉力作用的碳纤维布面积更大，材料特性较充分的利用。从经济效益上讲，“Х ”型加固方式更具有经济效益。

3.3 位移分析

极限荷载和极限位移

由表 3.1-3.2 可以看出：

（1）加固后极限位移提高：与未加固的试件相比，两种加固方式均能使墙体的变形能力提高，能较多吸收地震产生的能量“Х”型加固方式效果更好一些。

（2）加固后极限荷载提高：与未加固试件相比， “Х ”型加固方式比“#”型加固方式提高了 12.5%。

4.结论

通过对加固砌体结构有限元模型的建立和分析，可以得出以下主要结论：

①从应力方面分析，碳纤维布发挥了其拉力作用，减小墙体应力，提高极限承载力。

②从位移方面分析，加固墙体的极限位移有很大提高，“X”型碳纤维布加固墙体W2较“#”型加固墙体W3加固效果更好。

参考文献

[1] 谢剑.碳纤维布加固修复砌体结构新技术研究[D].天津：天津人学，2005.

[2] 杨望.碳纤维布加固砌体结构抗震性能试验研究及理论分析[D].武汉：武汉理工人学，2006.

[3] 孙永梅. 基于ANSYS的碳纤维布加固无筋砖砌体墙的有限元分析[J].西部探矿工程，2011.23（10）.

[4] JGJ101-1996建筑抗震试验方法规程[S].

[5] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007

【作者简介】单豪良（1983-），男，浙江绍兴人，讲师，长期从事建筑结构有限元分析和抗震研究。