CFRP加固框架结构有限元分析

李蔚兴，练俊江

(1.重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400016；2.重庆北纬建设工程质量检测有限公司，重庆 401120)

0 前 言

随着社会的快速发展，大量老旧建筑物在性能上已经不能满足现代社会的要求，尤其是安全标准。但是拆除老旧建筑物需要耗费大量的财力和人力，因此，加固改造成为一种有效的方式。加固改造的建筑物需要满足承载力及抗震的要求。众多学者对此做了一系列研究，并取得了丰硕的科研成果。桂国庆等[1]基于三维有限元软件建立数值模型，研究了地震作用下高层多塔连体结构连廊的动力响应，对相关敏感参数进行了影响因素分析。邹昀[2]基于上海环球金融中心大厦结构，通过ANSYS数值模拟软件建立大型三维模型，研究了地震作用下上海环球金融中心大厦的动力响应，并对抗震设计进行分析。吴刚等[3]基于某实际工程，对外贴 CFRP 加固混凝土结构的抗弯设计方法进行研究。白雪霜等[4]基于某实际工程，对现有建筑抗震鉴定地震动参数取值进行研究。本文基于三维有限元软件ANSYS建立三维模型，对某加固结构进行分析，为相关工程提供指导意见。

1 工程概况

某厂房为五层框架结构。厂房首层层高5.2 m，其余层层高3.5 m。厂房建筑面积约4 200 m2。厂房所在地区设防烈度8度，基本地震加速度值为0.20 g。该厂房框架柱的截面为500 mm×500 mm和600 mm×600 mm，框架梁截面尺寸为450 mm×1 100 mm和350 mm×700 mm。该厂房于2002年建造完成并投入使用。因对厂房功能进行升级，厂房原设计功能不能满足现行规范标准，需要对厂房进行加固改造。该项目采用CFRP法加固首层及二层部分框架柱和框架梁。

2 有限元三维数值模型

图1为加固结构模型示意图。模型按照实际尺寸建模。图2为地震时程曲线。

图1 模型示意图

图2 地震波时程曲线

3 结果分析

图3给出了加固前后的结构第一振型结果。图中可以看出，加固改造对结构刚度影响显著，加固后的结构频率明显增大。说明CFRP 加固对提升结构整体刚度有显著效果，结构频率显著增大。

(a)加固前第一振型

通过对结构模型数值结果中的其他振型和固有频率的提取后可知，加固前后的第二振型至第五振型所对应的固有频率如下：第二振型的未加固的频率为1.001 8 Hz，CFRP加固后的频率为1.189 4 Hz，较未加固时增大了18.73%；第三振型的未加固的频率为1.13 Hz，CFRP加固后的频率为1.354 6 Hz，较未加固时增大了19.87%；第四振型的未加固的频率为3.225 4 Hz，CFRP加固后的频率为3.624 8 Hz，较未加固时增大了12.38%；第五振型的未加固的频率为3.294 4 Hz，CFRP加固后的频率为3.698 3 Hz，较未加固时增大了12.26%。可见CFRP加固能提高该框架结构厂房的固有频率。又根据自由度体系方程：

(1)

式中，ω为固有频率；m为质量；k为固有圆频率。CFRP使房屋质量增加较小，其固有频率增大，致使其刚度变大。

各楼层的位移角和层间位移是控制结构最大变形的指标，辨别结构最薄弱部位的参数。

图4给出了地震作用下框架结构厂房的各层位移和层间位移角。如图4(a)所示，结构位移随着楼层逐渐增大，但是增大幅度慢慢减小。在厂房底层，未加固时的1层位移为24 mm，加固后的1层位移为22 mm；未加固时的2层位移为43 mm，加固后的2层位移为39 mm；未加固时的3层位移为55 mm，加固后的3层位移为47 mm；未加固时的4层位移为65 mm，加固后的4层位移为57 mm；其加固后层间位移均减小了约10%左右。从图4(b)中可以看出，厂房的最大层间位移角出现在第一层，即为薄弱层。采用CFRP加固后的厂房各层层间位移角均较加固前的厂房各层层间位移角有显著减小。可见对框架结构厂房采用CFRP加固能有效提升结构的安全性。

(a)位移

由数值模拟结果可知，地震作用下结构的峰值加速度为220 cm/s2，此时其未加固顶点的最大位移为70 mm，CFRP加固后的顶点的最大位移为63 mm，较未加固时的点的最大位移减小了约10%。通过对未加固和加固下的顶点最大位移比较可知，CFRP加固后的顶点的最大位移较未加固时显著减小，CFRP加固后结构侧向刚度得到了提高，抗侧移能力也得到了提高。在地震作用下水平位移减少，CFRP加固效果显著。

图5给出了加固前后基底剪力与顶点位移的变化曲线。从图中可以看出，当采用CFRP加固后的曲线斜率比未加固的时的曲线斜率大，说明CFRP加固能显著提高结构本身的刚度。这是因为底层柱的加固提高了结构底层的刚度。进一步观察曲线可以发现，采用CFRP加固可以显著提升结构的延性，相比未加固前的结构，结构的延性提高了约9.5%，结构的承载力提高了约24%。

图5 加固前后基底剪力与顶点位移的变化曲线

综上所述，CFRP加固从加固效果上来说，能显著改善结构的延性，同时显著提升结构承载力和结构刚度。抵抗地震的能力也较未加固时显著提高。

4 结 论

本文以某5层框架结构厂房为背景，基于三维有限元软件ANSYS建立三维模型，分析了地震作用下框架结构加固后的动力响应。研究结果表明，厂房结构的最大层间位移角出现在第一层，即为薄弱层。采用CFRP 加固后位移和层间位移角均显著减小，CFRP 加固对提升结构整体刚度、改善结构延性及提高抵抗地震的能力有显著效果。可见对框架结构厂房采用CFRP加固能有效提升结构的安全性。

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