钢版加固砌体墙的抗震性能分析

张瑾琳 张玉恒

（河北工程大学，河北邯郸 056038）

1 概述

砌体结构由块材和砂浆砌筑而成，因其有易就地取材、耐火性和耐久性良好、施工轻便以及造价低等特点，被广泛应用。但砌体结构普遍存在砂浆强度等级低，墙体侧向承载力不足，水平抗剪承载力不满足要求等情况，需要进行抗震加固来提高结构的整体抗震性能。砌体的力学性能受砂浆、块材的力学性能及砌筑质量和方式等因素的影响。墙体作为砌体结构的主要承重构件，其受力性能与结构抗震性能有密切关系，因此研究砌体墙的抗震性能极为重要。

粘钢加固技术最先出现在二十世纪六十年代中期，2012年，于江，王萍用扁钢粘贴加固砖砌体的抗震性能试验研究，通过对6 片墙体的低周往复试验，对粘钢加固后墙体的抗震性能进行了分析，试验结果表明经过粘贴格构式钢板的墙体其抗震性能有所提高。

粘钢加固法不仅施工方法简便、施工周期短、且钢板体积较小，可尽量减少建筑面积的损失，且钢板加固设计灵活多样，其加固部位及范围可由设计需要来调整，此种方法在工程加固中的应用越来越广泛。本文利用有限元分析软件，对加固前后的墙体建模并进行数值模拟分析，探讨其抗震性能。

2 材料参数

常用的砌体结构建模方法是分离式模型、整体式模型。分离式模型是在建有限元模型时，块体和砂浆建模时用各自的本构模型，采用弹簧或接触单元来模拟这两种材料间的粘结滑移[1]。整体式建模主要是不考虑块材和砂浆间的相互作用，两者之间存在的材料性能差别忽略不计，把构件当成一种均质的材料构件来进行分析。

砌墙体尺寸取3300mm×2700mm×240mm，设置了一个高为400mm，宽为240mm，长为3000mm 的混凝土顶梁在墙体上方，作为加载梁。设置了一个厚为500mm，宽为400mm，长为3500mm 的混凝土地梁在墙体的下方，并对地梁的地面三个方向的自由度全部进行约束。竖向荷载取0.3MPa，采用双面加固。本文中模拟的砌体墙采用MU10 普通粘土砖，以及M2.5 水泥砂浆，混凝土顶梁和混凝土地梁的设计强度等级为C25，钢板采用Q235。砌体材料参数按《砌体结构设计规范》计算所得，混凝土材料参数参照《混凝土结构设计规范》。

材料参数如表1 所示。

表1 材料物理力学指标

砌体结构力学性能较复杂，软件的材料库中有许多材料模型，混凝土损伤塑形模型（CDP）适用于素混凝土、钢筋混凝土等准脆性材料，砌体结构跟混凝土受力相似，也属于脆性材料，选用CDP 模型来模拟。

CDP 塑性参数取值如表2 所示。

表2 CDP 模型塑性参数

3 有限元模型的建立

3.1 材料本构关系

3.1.1 钢材

钢材的强度高、韧性好、材质均匀、近似于匀质体。其实际受力状况与其在力学计算中的假定基本符合，因此在有限元模拟分析时可采用理想的弹性模型。在钢材的应力-应变图中的斜线段部分即为弹性阶段，其斜线斜率就是钢材的弹性模量。

钢材应力-应变关系如图1 所示。

图1 钢材应力-应变曲线

3.1.2 混凝土

混凝土损伤塑性模型[2]考虑了损伤概念，突出了损伤效应，这样可以很好的模拟静力加载作用下的材料性能，混凝土材料采用混凝土塑性损伤模型。

3.1.3 砌体

基于实验基础，国内外学者提出了多种砌体在受压及受拉时的应力应变曲线的表达式，包括直线型、指数函数型、对数函数型及多项式型等。但在这些函数表达式中，大部分曲线都只有上升段这一部分，对于下降段部分的研究很少，而要研究砌体结构的非线性性能，能合理描述其受压状态下的力学性能在下降段的表达式是十分重要的。砌体本构关系将采用杨卫忠[3]的研究成果，其提出的砌体本构模型与实验结果较符合，可近似模拟砌体结构的各种性能，受压本构计算公式为：

式中，fc，m-砌块抗压强度；

εc，m-对应的应变；

η-由实验确定取1.633。

砌体受拉本构计算公式为：

式中，ft，m砌块抗拉强度；

εc，m对应的应变；

αt赋值为2 较为合理。

3.2 单元类型的选取

软件中有多种单元类型可供选择，模型主要选用实体单元和壳单元来建模，砖砌体墙片选用实体单元（C3D8R）[4]来模拟；钢板由于厚度较长度方向可忽略不计，为满足其精度要求，钢板单元类型采用S4R 壳体单元；混凝土采用塑性损伤模型。

3.3 有限元模型分析

首先根据上文的模型尺寸创建几何部件，然后对材料属性进行定义，在统一的整体坐标系中进行装配，设置分析步后定义载荷及边界条件，定义相互作用及约束，模型各部件网格划分为边长为200mm 的六面体单元网格，在保证分析有效的情况下节约计算时间。和荷载加载方式相比，位移加载分析会更容易收敛，模型采取位移加载的方式。未加固墙体和钢板加固墙体划分网格后的有限元模型如图2 和图3 所示。

图2 未加固砌体墙有限元模型

图3 钢板加固砌体墙有限元模型

4 计算结果分析

4.1 滞回曲线

对模型进行位移往返加载可得到模型的滞回曲线，两面墙体的滞回曲线对比图如图4 所示。未加固墙体的滞回曲线不太饱满，因砌体墙具有显著的脆性特点，墙体开裂后会很快发生破坏，其耗能性能较差。钢板加固砌体墙在弹性阶段时，即还未达到墙体开裂位移时，滞回曲线表现近似于直线，当达到开裂位移后，墙体进入弹塑性阶段，滞回环表现为梭形，模型的耗能性能较好。当达到极限位移时，滞回环开始有倾斜现象，但此时的滞回环还比较饱满，此时模型有较好的耗能性能。整体来说钢板加固的墙体耗能性能好，抗剪承载力明显提高，钢板加固对砌体墙抗震性能有显著提升[5]。

图4 滞回曲线对比图

4.2 骨架曲线

骨架曲线是每次循环加载的水平力最大值与所对应峰值位移的曲线。墙体骨架对比图如图5 所示。因砌体墙的脆性特质，两面墙体都是突然发生破坏，所以位移控制加载模型时骨架曲线未出现下降段[6]。钢板加固后的砌体墙抗侧刚度较加固前有所提升，变形能力得到了提高，抗震能力较加固前好很多。通过对比图可得出进行加固的墙体承载力提高很多。

图5 骨架曲线对比图

5 结论

本文建立钢板加固前后的砌体墙体的有限元模型，采用位移控制加载法对其抗震性能进行模拟分析，得出粘钢加固法对提高砌体墙承载力及其抗震性能是十分显著的。钢板加固砌体墙对提高抗震性能非常有效，粘钢加固法施工方法简单，且钢板厚度小，材质轻便，几乎不占用建筑空间，结构自重也基本不增加，可更好的用于砌体结构抗震加固的工程实例中。