孫大行，徐建新，丁 峰

(1.河北聯(lián)合大學(xué)河北省地震工程研究中心，河北唐山063009;2.河北聯(lián)合大學(xué)校園規(guī)劃建設(shè)處，河北唐山063009)

0 引言

在我國(guó)，存在較多的由低強(qiáng)砂漿砌筑的砌體房屋和歷史建筑。然而我國(guó)是一個(gè)多震帶國(guó)家。這給我們帶來(lái)了巨大的災(zāi)難，其中地震的直接經(jīng)濟(jì)損失是由房屋的倒塌所造成的。為了避免地震給我們帶來(lái)巨大的災(zāi)難，我們就需要在結(jié)構(gòu)或是構(gòu)造上給這些房屋加固［1，2］。不管我們用什么方法給建筑物提高抗震性能，我們都不知道這一方案給建筑物所帶來(lái)的確切的效果。對(duì)于這種情況，目前有三種手段進(jìn)行分析加固效果。第一種，實(shí)物實(shí)地檢測(cè);第二種，做試驗(yàn);第三種，數(shù)值模擬［3，4］。課文采用第三種方案，因?yàn)檫@種方案耗費(fèi)的時(shí)間短，節(jié)省很多的勞動(dòng)力，可以做各種各樣的大量加固方法的研究。以磚砌筑房屋為研究對(duì)象，應(yīng)用ANSYS建立不同方案的碳纖維布加固模型，考察砌體結(jié)構(gòu)在不同的加固方案下受外力作用效果，最后得出最優(yōu)的加固方案，為碳纖維在砌體房屋加固中提供理論支持［5，6］。

1 有限元計(jì)算模型

1.1 模型的簡(jiǎn)化

模型為3 m×3 m×3 m的整體磚砌體房屋，墻體的厚度為200 mm，墻的四角有構(gòu)造柱，構(gòu)造柱橫截面尺寸為200 mm× 200 mm，在墻高 2.75 m至2.9 m之間有圈梁，頂板厚度100 mm。模型中混凝土采用 C30，構(gòu)造柱和圈梁配有 4根HRB400鋼筋。構(gòu)造柱中配筋的間距為150 mm;圈梁配筋高度方向間距50 mm，水平方向間距為100 mm;頂板的配筋在頂板的中間部位，鋼筋等級(jí)為HRB335，雙向配筋，間距為100 mm。采用ANSYS有限元軟件建立模型進(jìn)行分析。磚和混凝土材料選用Solid65單元;鋼筋選用link8單元;碳纖維選用shell41膜單元，這種單元只能承受拉應(yīng)力而不能承受壓應(yīng)力。在劃分網(wǎng)格以后，磚、混凝土、鋼筋和碳纖維共用節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 房屋模型圖

1.2 單元?jiǎng)澐趾图虞d制度

在計(jì)算過(guò)程中對(duì)模型底部的節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)方向上固定，即底部的節(jié)點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)位移，其余部分節(jié)點(diǎn)沒有施加約束，在一定力的作用下，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的位移。在坐標(biāo)X1.5 m與Y2.75～3 m所圍成的右墻上部區(qū)域施加負(fù)X方向水平面荷載，每步的荷載值為50N，即50N、100N、150N、200N等值加載。對(duì)房屋的墻體、構(gòu)造柱和圈梁采用規(guī)則劃分，單元的邊長(zhǎng)為0.05 m。

1.3 加固方案

本文中研究的加固方案共有三個(gè)，加固方案W1:在與X軸垂直的右墻中間的兩側(cè)分別豎向粘貼碳纖維布，碳纖維布的寬度為0.1m，長(zhǎng)為3m。加固方案W2:在在與X軸垂直的右墻上的兩側(cè)粘貼碳纖維布，共粘貼6條碳纖維布，中間位置的碳纖維坐標(biāo)與方案1的坐標(biāo)相同，上下粘貼的碳纖維布與中間的距離為0.6m，碳纖維布的寬度為0.1 m，長(zhǎng)為3 m，如圖2所示。

2 結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 加固房屋應(yīng)力分析

圖2 固定與加載面

在房屋模型中構(gòu)造柱和圈梁材料是鋼筋混凝土，墻體是磚，因此構(gòu)造柱和圈梁的抗拉強(qiáng)度、抗剪能力都是遠(yuǎn)大于墻體的，破壞是從墻體開始的，而且現(xiàn)實(shí)磚砌體結(jié)構(gòu)中都是主要由墻體來(lái)承受外部荷載作用，所以在有限元模型分析中以墻體為研究對(duì)象，分析各種加固方案對(duì)于房屋墻體最大應(yīng)力的影響。

房屋在1.4 kN荷載作用下，加固模型墻體的最大應(yīng)力都要小于未加固模型墻體的最大應(yīng)力，說(shuō)明使用碳纖維布加固磚砌體房屋可以增強(qiáng)墻體的耗能能力，提高墻體的開裂荷載，使墻體的應(yīng)力變化更為均勻，減小墻體的應(yīng)力集中。具體分析:模型W1和模型W3在都是在作用力垂直墻體上粘貼相同方向的碳纖維，只是粘貼面積不同，模型W1的最大應(yīng)力值為25.6 MPa，相對(duì)于模型W的應(yīng)力減小百分比為11.76%，模型W3的最大應(yīng)力值為19.1 MPa，相對(duì)于模型W的應(yīng)力減小百分比為34.1%，說(shuō)明在作用力垂直墻體上，對(duì)于墻體最大應(yīng)力的影響取決粘貼碳纖維布的面積。

2.2 模型W1上碳纖維應(yīng)力位移分析

根據(jù)碳纖維中部節(jié)點(diǎn)位移-應(yīng)力曲線圖3可以較為容易的看出，在中部節(jié)點(diǎn)在前26個(gè)荷載布內(nèi)，位移在0～7.9×10－4m之間，應(yīng)力的變化相當(dāng)?shù)男。f(shuō)明在此之間，房屋墻體中部節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力變化也是很小的，這時(shí)墻體沒有產(chǎn)生裂縫，或者是裂縫擴(kuò)展的很緩慢，碳纖維分擔(dān)荷載的作用很小;在第26荷載步時(shí)，節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和位移都出現(xiàn)突變，說(shuō)明是墻體出現(xiàn)裂縫，或是裂縫發(fā)展的很快，碳纖維分擔(dān)荷載作用開始明顯;在荷載布26～30之間，碳纖維中部節(jié)點(diǎn)在7.9×104～11.5×104m之間，應(yīng)力值由0.5 MPa快速的上升到35.8 MPa，說(shuō)明在此之間墻體的裂縫急速出現(xiàn)，或是墻體的裂縫快速的發(fā)展，碳纖維布分擔(dān)荷載作用明顯。

2.3 模型W2上碳纖維應(yīng)力位移分析

根據(jù)碳纖維中部節(jié)點(diǎn)位移-應(yīng)力曲線圖4可以較為容易的看出，在中部節(jié)點(diǎn)在前25個(gè)荷載布內(nèi)，位移在0～8.1×10－4m之間，應(yīng)力的變化相當(dāng)?shù)男?，說(shuō)明在此之間，房屋墻體中部節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力變化也是很小的，這時(shí)墻體沒有產(chǎn)生裂縫，或者是裂縫擴(kuò)展的很緩慢，碳纖維分擔(dān)荷載的作用很小;在第25荷載步時(shí)，節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和位移都出現(xiàn)明顯變化，說(shuō)明是墻體出現(xiàn)裂縫，或是裂縫發(fā)展較快，碳纖維分擔(dān)荷載作用開始明顯;在荷載布25～30之間，碳纖維中部節(jié)點(diǎn)在8.1×104～25.7×104m之間，應(yīng)力值由0.4 MPa快速的上升到35.8 MPa，說(shuō)明在此之間墻體的裂縫快速出現(xiàn)，或是墻體的裂縫快速的發(fā)展，碳纖維布分擔(dān)荷載作用明顯。

3 結(jié)論

利用ANSYS有限元分析軟件建立碳纖維布加固數(shù)值分析模型，分析碳纖維布加固磚砌體房屋抗震力學(xué)特性以及不同方式粘貼碳纖維布對(duì)于磚砌體房屋的影響，通過(guò)各模型結(jié)果的對(duì)比，得出以下結(jié)論:

1)粘貼碳纖維布可以有效的控制磚砌體房屋的裂縫發(fā)展，使之不會(huì)突然的大面積出現(xiàn)，從而使裂縫分布更為均勻。

2)碳纖維布加固磚砌體房屋可以分擔(dān)部分房屋受到的地震力荷載，在相同的荷載作用下，能夠有效地減小磚體應(yīng)力，增加磚砌體的延性。

3)使用相同面積的碳纖維布加固砌體時(shí)，在與施加作用力垂直的墻體上豎向粘貼碳纖維布時(shí)，對(duì)于房屋的抗側(cè)倒能力提高最大;對(duì)于最大應(yīng)力控制最強(qiáng);在房屋墻體上對(duì)角粘貼碳纖維布時(shí)，對(duì)于房屋側(cè)向位移影響最小，最大應(yīng)力控制介于橫向和豎向粘貼方案之間，但能夠提高房屋的整體性。因此，在磚砌體房屋抗震加固中，最優(yōu)的粘貼方式是在房屋墻體的豎向、橫向與對(duì)角相結(jié)合處粘貼碳纖維布。

［1］ 閆旭，張麗.我國(guó)砌體結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展及新材料應(yīng)用［J］.山西建筑，2006(13):65-69.

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