砂浆面层与构造柱组合加固砌体墙的抗震性能有限元分析＊

2022-12-23刘生纬

科技与创新 2022年24期

马超，刘生纬

（兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070）

砌体结构是常见的建筑结构类型之一，在国内被广泛应用于民用建筑及工业建筑的建造。砌体构件由砌块及粘结材料组成，具有抗压强度较高而抗拉抗剪强度较低的特点，因此砌体构件普遍存在抗震能力不足的缺点。在当前地震灾害频繁发生而已有砌体建筑抗震能力不足的背景下，处于地震高发地区的砌体建筑有必要进行有效的加固。

从目前的研究现状[1-4]来看，对砌体结构的加固主要通过提高构件的抗剪性能及结构的整体性来实现建筑物整体抗震能力的提升。针对砌体结构的加固方法，国内外学者进行了不同的实验研究，所采用的加固方法主要是钢筋网砂浆面层法[5-6]、增设构造柱及芯柱法[7-8]、外加钢纤维砂浆面层法[9-10]等，实验结果表明：①钢筋网砂浆面层法可在一定程度上提高砌体墙的抗剪性能，但加固面层与原有墙体连接不可靠，无法充分发挥钢筋网承载力，对墙体承载力提高不显著；②增设构造柱法可以提高结构的整体性，但对砌体墙变形约束效果不足。

根据目前已有研究成果，本文提出一种砌体墙加固方法——钢筋网砂浆面层与构造柱组合加固法。对比现有加固方法，此方法的优势在于：①实现钢筋网砂浆面层与砌体间的可靠连接，加固效果可靠；②增设组合构造柱钢筋与面层钢筋网组成钢筋笼，对核心砌体起到了约束作用，加固后墙体承载力提升幅度大；③各项施工工艺相对成熟，无需拆砌，施工难度小。因此本文结合相关实验，将此方法应用于砌体墙加固中，分析该复合加固方法对砌体墙受力特性及抗震性能的影响。

1 试件简介

选择文献[11]中的实验墙体SG-2及SG-5为模拟分析对象，墙体示意如图1所示，组合墙材料如下：①砌体墙采用MU10砖和M5混合砂浆砌筑；②面层水泥砂浆采用M10水泥砂浆，厚度均40 mm；③钢筋网采用HPB235级的6@180钢筋，上下锚入加载梁及地梁；④构造柱及顶梁、地梁均采用C30强度等级的混凝土；⑤构造柱内纵筋均采用HRB400级钢筋，箍筋采用HPB235级钢筋。

图1 试件尺寸及配筋

2 模型建立

2.1 计算模型的选择

砌体墙是使用砌块及砌筑砂浆2种材料共同组成的结构部件，因此其力学特性不同于使用混凝土材料的部件，具有差异性。考虑到其特殊性，目前国内外研究者常用的建模方法分为整体式建模和分离式建模。

整体式建模是将砂浆及砌块组成的部分作为一个整体，使用一种力学特性近似的假定材料代替实际由砂浆与砌块组成的复合材料进行建模分析，此种建模方法的优点在于构造简单，计算便捷易收敛且满足获得正确宏观反应的要求，缺点在于忽略了砂浆与砌块间的相互作用特性，无法反映其破坏形式，在微观层面上与实际情况不符。

分离式建模则是将砂浆与砌块单独建模后将二者按实际情况进行组合得到砌体部件，优点在于考虑了砂浆与砌块间的受力特点，可以更真实地反映实际情况及其特殊的破坏发展的形式；缺点在于此种建模方法复杂且单元划分数量较多，砂浆的粘结性能不易准确模拟，计算收敛性能较差、计算成本大。

墙体抗震性能的评价主要基于宏观层面的反应，因此选择整体建模法进行建模分析。

2.2 本构关系的选择

2.2.1 砌体本构关系

2.2.1.1 砌体受压本构关系

近年来国内外学者对砌体本构关系的研究较多，国内学者施楚贤[12]、杨卫忠[13]等都通过实验及对数据的统计推导提出了不同的砌体受压本构模型。本次模拟选择由杨卫忠提出的砌体受压本构模型。模型中需要的其他参数主要参考自GB 50003—2011《砌体结构设计规范》[14]。

式（1）中：fm为砌体抗压强度平均值；η由实验确定，本文η=1.667；εm为相应于fm的应变。

2.2.1.2 砌体受拉本构关系

因砌体材料抗拉性能较差，且受砌体组成材料影响较大，暂无相对成熟的本构关系。考虑其受拉特性机理与混凝土相似，故采用低强度混凝土受拉时的应力应变曲线作为其本构关系的参考。

2.2.2 混凝土本构关系

模型中混凝土加载梁、地梁及增设构造柱均采用C30混凝土，混凝土弹性模量3×104MPa，泊松比0.2，密度2 500 kg/m3，本构关系按GB 50003—2011《砌体结构设计规范》[14]中规定部分取用，采用塑性损伤模型[15]进行计算。

2.2.3 钢筋本构关系

钢筋使用Plastic塑性准则[16]，弹性模量取1.95×1011MPa，泊松比取0.3。

2.3 模型的建立

加载梁、基础梁、墙体使用C3D8R实体单元，钢筋采用T3D2单元。钢筋与混凝土及水泥砂浆间采用嵌入命令固定，不考虑粘结滑移。砌体墙与加载梁及地梁间存在钢筋锚固，砌体墙与上下梁连接紧密，按不存在滑移进行绑定处理。经多次计算对比后选择在加固层采用较密集网格而加载梁与地梁适度放大，最终完成网格划分后模型，如图2所示。

图2 有限元模型

3 模拟结果分析

通过对组合加固后的墙体SG-2及SG-5施加往复水平荷载，得到对应的荷载-位移曲线图，从荷载-位移曲线图中，可得到开裂荷载Pcr、开裂位移Δcr、极限荷载Pcr、极限位移Δcr，模拟结果与实验结果[11]对比如表1所示。

表1 模拟结果对比

由表可以看出模拟值与实验值吻合度较好。

开裂位移和开裂对应荷载误差相对较大：SG-2与SG-5的开裂位移误差分别为33.3%与10.3%，开裂对应荷载误差分别为37.6%与8.84%。

极限位移和极限承载力吻合度较好：SG-2与SG-5的极限位移误差分别为5.32%与6.19%，极限承载力误差分别为11.9%与6.11%。

其中构件SG-2开裂位移和对应开裂荷载误差较大，参照文献[11]中实验数据可见，与SG-2砌体墙同尺寸实验砌体墙SG-1、SG-3开裂数据相比，砌体墙SG-2开裂数据有明显不同，开裂位移较大且对应开裂荷载较小。考虑墙身主体使用材料，初期开裂状态受施工差异影响较大，实验用砌体墙砌筑质量无法精确保证，且极限状态吻合度较好，因此模拟结果属于合理范畴。

砌体墙构件模型SG-2及SG-5的骨架曲线如图3所示。可以发现：①墙体在开裂前处于弹性状态，曲线在这一阶段曲率变化较小，基本为直线；②在开裂后进入弹塑性状态，骨架曲线出现拐点变为明显弯曲的曲线，且随位移的增加，曲线斜率逐渐下降，说明墙体刚度退化逐渐发展。

图3 SG-2及SG-5骨架曲线图

对比文献[11]中相应实验的骨架曲线，两条模拟得到骨架曲线在上升段均与实验骨架曲线表现出较高吻合度，其变化特点一致，模拟结果的可信度较高，因此采用同种有限元方法进行下一步模拟可有效保证模型的可信度。

4 面层法-构造柱法复合加固效果分析

4.1 模型简介

为进一步明确钢筋网砂浆面层与构造柱组合加固砌体墙的加固效果，建立与SG-2同尺寸的未加固砌体墙QTQ、仅采用面层法加固砌体墙MCF，并施加同SG-2同样的竖向压力以排除高宽比及竖向压力不同带来的影响。

考虑到未加固砌体墙承载力及延性有限，仅对顶部位移10 mm内的结果进行分析研究。

4.2 结果分析

4.2.1 模拟计算结果

上述模型计算得到的开裂位移、荷载与极限位移、荷载如表2所示，骨架曲线如图4所示。

表2 模拟结果

图4 骨架曲线图对比图

4.2.2 曲线分析

通过对3个试件的骨架曲线图及特征点的对比分析可以得到：①采用钢筋网砂浆面层与构造柱组合加固的砌体墙，屈服荷载提高了68.7%，极限荷载提高了92.7%；仅采用钢筋网砂浆面层法加固的砌体墙屈服荷载提高了16.2%，极限荷载提高了12.4%。②砌体墙SG-2骨架曲线与其他两试件有较大差别，在开裂前的弹性阶段其初期刚度大于未加固构件；在出现开裂后的弹塑性阶段其刚度明显有所下降但曲线保持上升状态，极限承载力获得很大的提高，刚度退化趋势与未加固构件及仅使用砂浆面层法加固的构件不同。

由以上对比分析，可以发现采用钢筋网砂浆面层与构造柱组合加固的砌体墙在水平往复荷载下的力学性能与其他两试件均有不同。这是因为只采用钢筋网水泥砂浆面层加固的砌体墙由于加固面层与原有砌体墙间的连接性能不可靠，在往复荷载作用下其协同工作能力有限，所以受力模式及破坏形式与原有砌体墙相近。

但采用钢筋网砂浆面层与构造柱组合加固的砌体墙，因为新增的组合构造柱对加固面层内铺设的钢筋网起到可靠的锚固作用，从而使面层内钢筋网的水平承载能力得到充分发挥，提高了砌体墙的水平抗剪能力，说明钢筋网砂浆面层与构造柱组合加固可以有效提高砌体墙的力学性能。

4.2.3 滞回曲线分析

3个试件滞回曲线如图5所示，通过对比分析有如下发现。

图5 试件滞回曲线图

试件SG-2的荷载峰值远大于试件QTQ、试件MCF，说明采用面层法与增设组合构造柱法共同加固法提升了砌体墙的承载力。试件MCF与试件QTQ的滞回曲线偏向梭形，其中试件MCF的滞回曲线更为饱满，说明钢筋网砂浆面层法的加固起到了提高抗震效果的作用，但对试件延性及承载力的提高有限。而试件SG-2的滞回曲线明显与试件QTQ不同，其刚度退化慢且残余变形小，因此滞回环重叠度较高，说明构造柱钢筋与面层钢筋网充分发挥了作用；加固后砌体墙在水平循环荷载下的损伤较小，这是由于新增组合构造柱及面层共同形成完整的包裹体，对核心砌体墙起到了约束作用，增加了试件的抗剪能力与耗能能力，提高了试件的抗震性能，使加固后砌体墙的受力及破坏模式不同于传统砌体墙的脆性受剪破坏，而更接近剪力墙的弯曲破坏。说明采用钢筋网砂浆面层与构造柱组合加固法有效改善了砌体墙的抗震性能。