斜拉筋加固砌體結(jié)構(gòu)受力性能的非線性有限元分析

施 榮 原國華

(1酒泉職業(yè)技術(shù)學院土木工程系，甘肅 酒泉 735000；2山西交科橋梁隧道加固維護工程有限公司，山西 太原030000)

砌體結(jié)構(gòu)雖具有一定的抗壓承載能力，但其抗拉、抗剪、抗彎能力均較差，尤其是無筋砌體整體性較差，承載力較低，極易在外荷載作用下產(chǎn)生裂縫，主要為斜裂縫和水平裂縫。斜裂縫主要是由于施加于墻體的往復(fù)水平剪力與墻體本身所受的豎向壓力引起的主拉應(yīng)力過大，超過砌體結(jié)構(gòu)的抗拉強度而產(chǎn)生的剪切裂縫。斜拉筋加固技術(shù)就是通過斜拉筋抵抗水平方向的剪力，使墻體自身承擔的剪力減小，推遲了裂縫的出現(xiàn)，能有效提高墻體的抗剪強度與抗變形能力，同時也提高了墻體的抗壓承載力。本文通過大型有限元分析軟件ANSYS對斜拉筋加固砌體結(jié)構(gòu)受力性能進行分析，得出一些對工程設(shè)計和分析有益的結(jié)論。

1 有限元模型

1.1 建立計算模型

以無筋墻和斜拉筋加固磚砌體作為對比研究對象，計算模型具體參數(shù)見表1，墻片經(jīng)ANSYS程序網(wǎng)格劃分后的模型見圖1(a圖，b圖)。

表1 試件設(shè)計參數(shù)表

圖1 有限元網(wǎng)格劃分

五個試件均采用M5水泥砂漿砌筑，磚為Mu10，尺寸為900mm×600mm×240mm。砌體上下各設(shè)鋼筋混凝土梁，分別模擬圈梁和地梁，截面尺寸為240mm×300mm，長1200mm。YGQ-12用Φ12的鋼筋且施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力控制值為鋼筋屈服強度的60%，圈梁和地梁縱向鋼筋為4根直徑12mm的HRB335鋼筋，箍筋為直徑6mm、間距200mm的HPB235鋼筋，混凝土強度C20[1][2]。

表2 材料特性參數(shù)

2 模型材料參數(shù)的選定

1)材料模式本構(gòu)關(guān)系及破壞準則

進行非線性有限元分析，合理選取材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系是至關(guān)重要的，目前有限元分析只有參照類似材料的常用破壞準則，通過參數(shù)的適當選取來最大限度地模擬砌體的破壞[3]。

砌體材料的屈服準則可以考慮使用巖土工程中廣泛使用的Drucker—Prager(DP)準則或ANSYS專門為鋼筋混凝土單元SOLID65開發(fā)的CONCRETE材料破壞準則[4][5]。

破壞面是加工強化區(qū)域的極限，由于理想彈塑性假定，DP材料的破壞面同屈服面(圖2)[6]。

圖2 Drucker—Prager準則和Mohr—Coulomb屈服面

采用CONCRETE材料時，可結(jié)合多線性隨動強化模型(MKIN)來定義砌體的單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線；CONCRETE材料屬性表用于確定材料的強度準則，受拉失效由最大拉應(yīng)力準則確定，三向受壓時采用Wil-lam-Warnke五參數(shù)失效準則，屈服面由等5個參數(shù)表述；破壞面最少輸入這2個參數(shù)確定，和f2等3個參數(shù)可取默認值，此時應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)滿足代表主應(yīng)力，否則在高靜水壓力下五個失效參數(shù)都必須指定[7]～[9]。

CONCRETE屬性表中還有3個參數(shù)用來反映材料開裂后的狀態(tài)：裂縫張開時剪力傳遞系數(shù)，一般可取0.3～0.5；裂縫閉合時剪力傳遞系數(shù)，可取0.9～1.0；拉應(yīng)力釋放量乘子cT，可取0.6[10]。

2)其它材料特性參數(shù)

根據(jù)文獻資料[11]，取粘土磚彈性模量、砂漿的彈性模量Em的表達式分別為：

其中：f1—磚的抗壓強度平均值，

f2—砂漿的抗壓強度平均值。

有限元分析的其它材料參數(shù)取值見表2。

3)荷載

為了反映荷載隨時間變化的情況，ANSYS采用了時間函數(shù)的方法，即把荷載看作是時間的函數(shù)，逐步加載，這樣就可以比較細致的了解構(gòu)件由加載至開裂出現(xiàn)裂縫的全過程，并且有利于非線性解的收斂。

3 有限元計算結(jié)果及分析

對表2列出的墻片進行非線性有限元計算，計算結(jié)果表明試件WGQ 、GQ-8、GQ-12、GQ-16與YGQ-12的極限荷載分別為75KN、86.25KN、90.75KN、105KN、109.5KN，極限承載力分別提高了15%、21%、40%、46%。為了分析各片墻體在彈性階段應(yīng)力狀態(tài)和變形特性，圖3-圖7給出了各個墻片的Mise應(yīng)力圖，圖8～圖13給出了墻片水平位移圖。通過有限元分析，可以得出以下結(jié)論：

1)對墻體施加預(yù)應(yīng)力加固后，有限元分析結(jié)果表明墻體達到極限荷載的時候墻體的水平位移變化不大，試驗結(jié)果變化較大，可能是由于試驗時墻體上端沒有嵌固好，墻體發(fā)生輕微的轉(zhuǎn)動(圖 3- 圖 7)。

圖3 WGQ位移分布圖

圖4 GQ-8位移分布圖

圖5 GQ-12位移分布圖

圖6 GQ-16位移分布圖

圖7 YGQ-12位移分布圖

圖8 WGQ應(yīng)力分布圖

2)與普通墻體相比，斜拉筋加固后，墻片上各片區(qū)域的剪應(yīng)力均有所提高，表明施加預(yù)應(yīng)力后可以改善墻體的抗剪能力，提高墻體的開裂荷載和極限荷載(圖8-圖13)。

圖9 GQ-8應(yīng)力分布圖

3)有限元分析計算出的墻體開裂荷載與試驗實測值相差2KN左右(表3)，筆者認為造成這種差異的原因大概有以下原因：一是在進行有限元建模時砂漿和磚之間的粘結(jié)滑移是靠單元之間公用節(jié)點來實現(xiàn)的，與實際構(gòu)件有差異；二是試驗過程中由于上部圈梁嵌固不好，整個墻片會發(fā)生局部細小轉(zhuǎn)動，也是造成有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果有差異的原因之一。

圖11 GQ-16應(yīng)力分布

圖12 YGQ-12應(yīng)力分布圖

4)墻體的初始裂縫都出現(xiàn)在墻體的底部(圖13-圖17)，這與實際偽靜力試驗中墻體初始裂縫部位不吻合。筆者認為主要由于有限元分析時不能將墻體自重對抗剪強度的有利影響考慮進去，這樣就造成有限元分析時加載端墻體下角部的主拉應(yīng)力最大，因此模擬出墻體底部受拉邊緣出現(xiàn)豎向和水平裂縫。

圖13 WGQ-12 裂縫分布圖

圖14 GQ-8 裂縫分布

圖15 GQ-12 裂縫分布圖

圖16 GQ-16 裂縫分布

圖17 YGQ-12裂縫分布

表3 有限元計算分析與試驗結(jié)果對比表

4 結(jié) 語

1)對斜拉筋加固的砌體結(jié)構(gòu)墻片進行有限元分析，首先要為砌體選擇合適的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，確定合理的破壞準則。由于砌體材料的復(fù)雜性，其各向異性的特性較為顯著，因此相對來說，對于砌體的非線性分析精度稍低。若要獲得理想的分析結(jié)果，還需要在砌塊砌體的基本力學性能方面開展大量的研究工作。

2)有限元分析結(jié)果表明，幾個模型墻片的彈性應(yīng)力分布計算結(jié)果與試驗現(xiàn)象較為吻合；非線性有限元分析計算出的墻體開裂荷載與偽靜力試驗結(jié)果也較為接近，基本能夠滿足工程精度的要求。

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