祝百茹，劉海卿

（遼寧工程技術大學建筑工程學院，遼寧阜新 123000）

體外預應力筋加固砌體結構抗震仿真分析

祝百茹，劉海卿

（遼寧工程技術大學建筑工程學院，遼寧阜新 123000）

為研究體外預應力筋加固砌體結構的抗震效果，運用LS－DYNA軟件對加固前后砌體結構在地震作用下的全過程進行仿真模擬。結果表明：體外預應力筋對砌體結構提供的主動約束力可有效限制被加固砌體結構裂縫的發(fā)生和開展，同時能有效防止預制板的脫空現(xiàn)象；體外預應力筋加固可有效減小結構水平位移，提高其抗側移能力，有效增強結構的剛度和強度，提高砌體結構的抗震能力。因此，采用體外預應力筋加固砌體結構具有一定的現(xiàn)實意義。

砌體結構；體外預應力筋；仿真模擬；抗震性能

砌體結構是我國城鎮(zhèn)中常見的結構形式，但由于其強度低、自重大、延性差等缺點，在強震作用時會遭受嚴重的破壞和倒塌，給人們生命和財產帶來巨大的損失［1－2］。由于抗震規(guī)范的更新，以前的抗震設計不符合最新抗震規(guī)范［3］的要求，因此，砌體結構的抗震鑒定與加固是亟需解決的問題。相對于其他加固砌體結構的措施［4］，體外預應力筋加固補強技術具有較高的研究和推廣價值，能夠推動老舊可用建筑的維修與加固技術的發(fā)展。該技術是將張拉預應力筋補加在需加固的受拉區(qū)段外面，同時將其錨固在梁（板）的端頭處，這樣就可以對結構薄弱部分進行補強加固，進而提高結構在地震作用下的受力性能，增加結構塑性變形能力和整體性。與此同時有限元計算理論的發(fā)展成熟，為結構加固補強提供了方便的計算工具，已經成為科學研究中除理論研究和科學實驗以外的第3種方法［5］。與試驗投入相比，數(shù)值模擬方法可以大大減少物力和人力；與試驗效果相比，數(shù)值模擬方法同樣可以較直觀地呈現(xiàn)結構受力發(fā)展的整個過程［6］，為在役工程結構加固設計與施工提供技術保證和理論支撐。

1 仿真模擬方法

砌體結構在地震作用下的破壞仿真模擬是一個從連續(xù)體向離散體轉變的極其復雜數(shù)值過程，要求數(shù)值模型既能考慮結構破壞前的各項行為，又能正確反映結構構件破壞后，破損塊體與結構碎片之間相互碰撞、接觸等行為，因此數(shù)值模型的正確選擇是整個模擬過程的關鍵。在有限元法基礎上同時考慮接觸非線性和單元生死的數(shù)值模型，則可以較好模擬砌體結構在地震作用下的整個破壞過程中的受力行為，同時有很多的源代碼支持和已經存在的計算程序［7］，具有普遍適用性。本研究采用顯式非線性有限元程序分析軟件LS－DYNA進行分析，采用非線性生死單元和接觸算法，來實現(xiàn)結構破壞過程的仿真模擬。具體實現(xiàn)方法如下［8－11］：

（1）采用接觸算法，即把結構各個構件間設定為接觸關系，將構件自身內部單元設定為自體接觸，實現(xiàn)對砌體結構的破壞、撞擊甚至坍塌過程的仿真模擬。

（2）運用LS－DYNA提供的子程序接口，編制能夠去除最大應變大于預定限值單元的生死控制子程序，鋼筋拉斷應變取0．01，墻體拉碎應變和壓碎應變取為0．001 3，梁和預制板不考慮單元生死。

2 加固方法與模型建立

2．1 體外預應力筋加固法

詳細加固方法如圖1所示，具體步驟［12］如下：

（1）在工廠加工預制鋼構件，利用植筋螺栓將它們固定于構造柱上，同時使用建筑膠進行二次固定。固定好的預制鋼構件為縱向預應力筋和橫向預應力筋提供了張拉錨固的固定支撐支座。在錨固橫縱預應力筋時需要將二者錯開一定的距離，防止二者交叉干擾。

圖1 體外預應力筋抗震加固Fig．1 Sketch of reinforcement details by externally prestressed bars

（2）在柱角的相交處縱橫向的鋼構件上，焊接三角形鋼板，為固定豎向預應力筋提供支座。

（3）豎向預應力筋一端錨固在柱頂，另一端預埋在模型的臺座內。

2．2 模型建立

以縱墻承重、大開間、有外走廊的6層預制板砌體結構為分析對象，采用空間三維實體建模，對加固前和加固后的砌體結構破壞過程進行模擬。有限元模型如圖2所示。層高均為2．8 m，每層設有3個房間，每個房間為7．5 m×6．5 m，外挑走廊1．2 m寬，各個房間靠近走廊側設有2個門洞和1個窗洞，門洞尺寸為0．9 m×2．3 m，窗洞尺寸為1．75 m× 1．5 m，沒有走廊一側墻上有3個窗洞，大小為1．75 m×1．5 m。外墻厚380 mm，樓板厚100 mm。模型應用Solid65單元進行離散，鋼筋應用LINK8單元進行離散?；炷亮汉蛪w采用LS－DYNA中的材料Material3，Plastic Kinematic模型。構造柱單元與圈梁的混凝土選取LS－DYNA中的混凝土本構模型，預應力筋、構造柱單元和圈梁中鋼筋采用LS－DYNA提供的分離鋼筋模型。砌體材料密度設定為1 600 kg／m3，泊松比設定為0．2，彈性模量設定為30 GPa，開裂強度值設定為0．5 MPa，開裂后軟化剛度值設定為－2 GPa；混凝土抗壓強度設定為25 MPa，預制板采用彈性模型。整個仿真分析計算方法采用動力時程法，仿真模擬時輸入的地震波為EL Centro波，該輸入波是經過比例放大得到，橫向最大地面峰值加速度為2．8 m／s2，縱向為4．1 m／s2，豎向為2．7 m／s2，時長10 s。

圖2 砌體結構模型圖Fig．2 M asonry structuremodel

3 模擬結果分析

對三維實體模型輸入地震波后，得到了基本沒有采取任何抗震措施的砌體結構在2．8 m／s2地面加速度作用下從開裂、破壞，直至最終倒塌的全過程，具體情況見圖3。

圖3 加固前砌體結構破壞過程Fig．3 Destruction of unreinforced masonry structure

由圖3可知：3．5 s時，第一層部分墻體損壞，預制板松動掉落，梁損壞并出現(xiàn)塌落（圖3（b））。5．5 s時，第一層整體坍塌，第二層因此喪失承載力（圖3（c））。6．5 s后，結構徹底垮塌（圖3（d））。預制板松動掉落是造成砌體結構整體坍塌的主要原因，由此也可知道，如果不能有效地拉結錨固預制樓板，將難以避免由于樓板掉落而造成的結構破壞和人員傷亡。從圖3中也可以了解砌體結構在較大地震時大概要經過以下5個過程：①由于水平結構的晃動，導致?lián)p傷累積，使柱底端產生裂紋，構件局部壓碎，在自重作用下結構有一個接近垂直墜落的過程；②出現(xiàn)重力二階效應（簡稱P-Δ效應），構件繞結點轉動，又有傾倒之勢；③結構出現(xiàn)分離、解體現(xiàn)象，個別構件開始獨立運動；④上部的砌體結構被甩出，其它層的砌體結構未出現(xiàn)大面積的破壞，只是出現(xiàn)了裂紋擴展；⑤隨著地震的持續(xù)，結構觸地堆積，結構徹底解體。這與實際觀察到的結構倒塌過程是相吻合的，間接證明了模型建立的正確性。

由圖4可知：采用體外預應力筋加固后的砌體結構具有很好的抗震性，沒有出現(xiàn)大面積坍塌，保持了較好的完整性。只是在4．5 s時，在外側橫墻位置的梁出現(xiàn)松動并墜落，與梁連接的預制板掉落到第六層樓板上，如圖4（b）。在此之后，結構沒有出現(xiàn)嚴重損傷。

圖4 加固后砌體結構破壞過程Fig．4 Destruction of reinforced masonry structure

由圖3與圖4、圖5（a）與圖5（b）對比分析可知：在強震作用下的砌體結構，門窗角部和梁下部有較嚴重開裂。門窗角部開裂是角部集中應力所導致，而梁下部開裂是由于水平力作用使梁產生轉動的趨勢進而造成梁周圍墻體出現(xiàn)裂縫。未加固砌體結構的樓板脫空現(xiàn)象明顯，發(fā)生時間較早，底層是薄弱環(huán)節(jié)。加固后砌體結構底部預制板一直與圈梁緊密連接，墻體裂縫開展的時間推遲了，裂縫分布變得稀疏，深度減小了，雖在強震作用下，但結構仍然保持較好的整體性。對比結果表明體外預應力筋提供的主動約束力可有效限制被加固砌體結構裂縫的發(fā)生和開展，并且有效防止樓板與圈梁脫空，該加固方法能夠提高砌體結構的整體抗震能力，實現(xiàn)了強震不倒。

圖5 加固前后砌體結構裂縫分布圖Fig．5 Distribution of cracks in themasonry structure before and after reinforcement

圖6給出了加固前和加固后砌體結構3個不同樓層的水平位移曲線，由圖可以看出，在6 s之前，加固后砌體結構的水平位移小于加固前砌體結構的水平位移，表明采用體外預應力筋加固的方法可以有效地控制樓層的側移，提高了砌體結構抗震能力。還可以看出加固前砌體結構的水平位移呈逐漸減小趨勢，最終幾乎趨近于零，大約在6 s以后加固后砌體結構的水平位移大于加固前砌體結構的水平位移，因為未經加固的結構底部在接近6 s時已經失效，不再承重，使上部結構開始垂直觸地運動，加固后砌體未出現(xiàn)整體坍塌，這與圖3和圖4結果相吻合，表明體外預應力筋加固砌體結構方法效果良好。

圖6 加固前后砌體結構水平位移曲線Fig．6 Curves of lateral displacement of themasonry structure before and after reinforcement

4 結 論

（1）采用體外預應力法加固砌體結構可以提高砌體結構的整體剛度和抗側移能力，使砌體結構在同等震級的作用下有效減小橫向水平位移，從而使加固后砌體結構滿足抗震要求。

（2）體外預應力筋對砌體結構提供的主動約束力可有效限制被加固砌體結構裂縫的發(fā)生和開展，同時有效防止預制板的脫空現(xiàn)象，提高了砌體結構整體抗震能力。

（3）砌體結構的門窗角部及其周圍墻體、梁下是整個結構的薄弱環(huán)節(jié)，在進行實際加固設計時，應將該部分作為抗震設計的重點，對其施加多向體外預應力。

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（編輯：劉運飛）

Simulation Analysis on Seism ic Performance of Masonry Structure Reinforced with Externally Prestressed Bars

ZHU Bai-ru，LIU Hai-qing
（School of Architectural Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China）

To research the seismic performance of masonry structure reinforced by prestressed bars，the whole processes of earthquake action on both reinforced and unreinforced masonry structureswere simulated by using LSDYNA software．The analysis results show that prestressed bars have obviously limited the development of cracks，and effectively prevented the precast slabs from being disengaged from the wall．Externally prestressed bars can reduce the lateral displacement ofmasonry structure，increase its strength and stiffness，and improve its anti-seismic performance．Therefore，it’s of practical significance to reinforcemasonry structurewith externally prestressed bars．

masonry structure；externally prestressed bar；numerical simulation；anti-seismic performance

TU362；TU352．11

A

1001－5485（2013）11－0086－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．017

2012－09－10；

2012－10－11

遼寧省自然科學基金資助項目（20102091）；遼寧省“百千萬人才工程”優(yōu)秀人才資助項目（2008921034）

祝百茹（1984－），女，遼寧海城人，博士研究生，主要從事工程結構防災研究，（電話）15841878996（電子信箱）zhubairu6＠126．com。