碳纖維布加固砌體墻抗震的有限元分析

單豪良等

摘 要：隨著加固領域的不斷發展，纖維增強復合材料加固技術應用在砌體結構領域具有重要的理論研究意義和應用價值！在碳纖維布加固砌體結構的實際工程及試驗的基礎上，利用有限元軟件ANSYS建立模型，對“X”型和”#”型兩種加固方式進行模擬分析，計算結果顯示：“X”型加固方式能獲得更大的極限荷載和極限位移。

關鍵詞：碳纖維布；砌體加固；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

碳纖維布加固技術在混凝土結構中的應用已較成熟，而粘貼碳纖維布對磚砌體進行加固在國內外仍處于試驗研究的初始階段。碳纖維布加固砌體結構具有施工便捷、高強高效、不增加構件的自重與體積、耐久性好等優點，在工程中有廣闊的應用前景。

1.有限元模型的建立

黏土磚與砂漿有著完全不同的性質，所以采用有限元軟件ANSYS對磚砌體進行模擬有一定的難度. 為了提高分析效率，本文采用整體式考慮法.將黏土磚和砂漿作為一個整體考慮，忽略兩種材料之間性質的不同進行建模。

采用有限元軟件ANSYS進行模擬分析時，為了定義磚砌體與碳纖維布的材料特性，需要給出磚砌體與碳纖維布的應力-應變關系曲線。黏土磚采用強度等級為Mu10的普通黏土磚，砂漿采用強度等級為M5的水泥砂漿，磚砌體本構關系表達式

式中： 為與塊材類別和砂漿強度有關的彈性特征值，取 =460。應力應變關系如圖1所示。

根據碳纖維布的基本性能，在有限元模擬過程中，假定碳纖維布是一種理性彈性材料，在受力過程中始終處于彈性階段，因此碳纖維布的應力應變關系曲線如圖2所示。

墻體加固示意圖如圖3所示.W-1為未加固墻體，W-2為交叉粘貼碳纖維布墻體，W-3為“#”字形粘貼碳纖維布墻體。有限元軟件ANSYS中沒有專門模擬磚砌體材料的單元，磚砌體與頂梁、底梁均采用solid65實體單元，該單元可以模擬材料破壞時的脆性性質，也可以模擬實體的受拉裂縫和壓碎。碳纖維布采用shell41膜單元，這種單元在每個節點上具有沿X、Y、Z方向的平動自由度，并且提供了材料的方向角，用來確定碳纖維增強的方向，該單元適合于彈性、薄壁殼體的結構分析，所以適合用來模擬碳纖維布。

磚砌體墻及碳纖維布均采用映射網格劃分，之間的連接采用節點耦合方式，使它們之間有相同的節點位移，這種連接方式認為墻體與碳纖維布完全變形協調。

3.有限元計算及結果分析

磚砌體墻需要施加豎向荷載以及水平的低周反復荷載。為了模擬 4 層宿舍樓的底層橫墻，通過計算，墻體上豎向荷載取0.6MPa，作為面荷載分為5個荷載步逐步加到墻體頂面。水平低周反復荷載施加在墻體頂部，先將頂面所有節點耦合到一個節點，然后向這一點施加集中荷載，沿著墻體寬度的方向，采用逐級增大位移的方式施加水平荷載。施加水平荷載的同時，豎向荷載保持恒定不變。在墻底施加 X，Y，Z三個方向的約束，如圖4所示。

3.2 應力分析

3.2.1 墻體應力分析

（1）Von Mises 應力最大值出現在墻底以及墻體的中下部，為。在距墻底 1/4 到 1/3 墻高的部位應力、變形均較大，是易發生破壞的部位。

（2）應力集中出現在墻體底部，且應力分布極不均勻，相差較大。

3.2.2 碳纖維布應力分析

（1）碳纖維布發揮了其拉力作用，在最容易破壞的部位（即墻體底部）產生較大的拉應力，隨著碳纖維布向上延伸，其拉應力也逐漸變小；

（2）墻體較容易破壞的部位（即墻體的中下部），碳纖維布發生變形，向外凸出，類似于試驗過程中出現的空鼓現象；

（3）碳纖維布“Х ”型加固比“#”型加固方式的拉應力值更大，發揮拉力作用的碳纖維布面積更大，材料特性較充分的利用。從經濟效益上講，“Х ”型加固方式更具有經濟效益。

3.3 位移分析

極限荷載和極限位移

由表 3.1-3.2 可以看出：

（1）加固后極限位移提高：與未加固的試件相比，兩種加固方式均能使墻體的變形能力提高，能較多吸收地震產生的能量“Х”型加固方式效果更好一些。

（2）加固后極限荷載提高：與未加固試件相比， “Х ”型加固方式比“#”型加固方式提高了 12.5%。

4.結論

通過對加固砌體結構有限元模型的建立和分析，可以得出以下主要結論：

①從應力方面分析，碳纖維布發揮了其拉力作用，減小墻體應力，提高極限承載力。

②從位移方面分析，加固墻體的極限位移有很大提高，“X”型碳纖維布加固墻體W2較“#”型加固墻體W3加固效果更好。

參考文獻

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【作者簡介】單豪良（1983-），男，浙江紹興人，講師，長期從事建筑結構有限元分析和抗震研究。