丁 峰
(河北联合大学，河北唐山 063009)
应用ANSYS 模拟地震作用下加固砌体的力学特性
丁 峰
(河北联合大学，河北唐山 063009)
通过对碳纤维复合材料加固砌体结构进行ANSYS有限元数值模拟，分别建立整体砌体房屋模型和不同的碳纤维加固模型，并对不同加固方案进行了分析，同时对比研究了各个加固模型的破坏形态、强度、极限位移等，为粘贴碳纤维布加固砖砌体房屋的抗震性能提供了理论依据。
砌体，地震作用，ANSYS
1 概述
由于我国是一个地震频发的多震带国家，所以对于低强砂浆砌筑的砌体房屋和历史建筑的影响很大。如果地震的震级超过五级，对上述的建筑就会产生破坏性的作用，这样就会造成巨大的经济损失。我国经济适用的砌体房屋在民用住宅建筑中约占90%以上，今后的一段时间内，砌体房屋仍然是城乡建设中一种主要的结构形式。虽然多层砖砌体结构房屋的抗震性能很差，但是只要通过合理的设计，采用必要的抗震措施，多层砌筑房屋仍可在地震区使用。
可是通过调查研究发现，在未发生地震的地区，有大量适用的结构不合理的砖砌筑房屋，如缺少构造柱、圈梁、纵横墙缺少可靠的搭接等。为了避免在地震中发生震害的情况，需要在结构或是构造上给这些房屋加固。通常情况下，分析加固效果的手段通常有三种：第一种实物实地检测，就是在地震区，对所需要的房屋进行加固等待地震的发生检测效果。但这种方案由于地震没有规律性，可能周期很长，我们没有这么多的时间去等，而且要是方案有问题就可能造成人员死伤;第二种，建造实物试验，给它与地震相同的作用，检测效果，由于方案的多样性和实验结构的离散性，我们需要建造很多的实物，而且需要提供地震作用的大型设备，这就需要大量的资金做支持;第三种，数值模拟，运用一些建模软件，对各种的加固方案进行分析。
经过比较三种方法的可行性和试验结果发现，应用计算软件进行数值模拟分析，以砖砌筑房屋为研究对象，应用ANSYS建立不同方案的碳纤维布加固模型，因为这种方案耗费的时间短，节省很多的劳动力，可以做各种各样的大量加固方法的研究，而且它不需要花费很多的资金，更不会出现人员的伤害，所以这一方案具有可行性，为碳纤维在砌体房屋加固中提供理论支持。
2 碳纤维加固技术
2．1 碳纤维布的材料性能
碳纤维材料是建筑结构中应用最广泛的一种结构加固材料，其质量轻、强度高、施工方便等特点，在工程领域的应用越来越广。碳纤维的比重非常的轻，通常情况下只有铁的1/10，而且它比铝要轻，但是比钢的强度高，强度是铁的10倍。碳纤维是一种用和钻石同等物质制作成的材料，因为碳元素很稳定，所以说碳纤维在化学组成上也就非常的稳定，抗腐蚀性也是相当的强，另外它的抗张拉强度非常大。碳纤维的其他特性包括高度的X射线穿透性，较高的抗腐蚀，抗热和抗低温能力。
除上述的描述外，碳纤维还有诸多优点，其中包括耐磨性能好，热导性好，尺寸稳定以及屏蔽性，具有较好的减震效果。
2．2 碳纤维布加固的特点
由于碳纤维材料本身所具有的特性，在砌体加固中运用它有着明显的优点，其中概况起来主要包括以下几方面：
1)强度高：鉴于碳纤维材料本身所具有良好的物理特性，可以极大的提高砌体结构的极限承载力和变形能力，提高结构的整体性。2)耐腐蚀性能及耐久性：碳纤维对一般的腐蚀环境都具有相当的耐性，而且又与别的材料都会具有相当好的相容性。除了强氧化剂外，一般的如30%的硫酸、碱和浓盐酸对于碳纤维基本就没有作用，可以说对于这三种物质具有免疫性，所以在加固的过程中对于加固环境的要求很低。3)自重和自身体积小：碳纤维的密度很小，在加固后不会对墙体造成额外荷载，它在加固中占用的体积相对于砌体结构本身可以忽略不计，不占用使用空间。4)适用面广：碳纤维材料本身很柔软，可以根据加固使用中的需要很容易的制作成各种相应的形状，而且对结构的外观不会造成影响，因此可以广泛的运用在砌体结构的任何部分。5)便于施工：碳纤维加固的工艺相当的简单，在施工过程中不需要大型的机械，对于施工面的要求很小，而且施工的过程中不涉及湿操作，因此运用碳纤维加固的效率很高。
3 未加固砌体房屋的ANSYS分析
3．1 模型概况
在应用ANSYS模拟软件分析时，需要建立和实际的实验结构相近的分析模型，在此选3 m×3 m×3 m的整体砖砌体房屋，墙体的厚度为200 mm，墙的四角有构造柱，构造柱横截面尺寸为200 mm×200 mm，在墙高2．75 m～2．9 m之间有圈梁，顶板厚度100 mm。在对加固砖砌体房屋力学特性数值模拟中，重点是分析墙体上的点或区域的力学特性，为了使构造、圈梁和顶板不破坏或是相对较轻的破坏，构造柱、圈梁和顶板都是使用混凝土且有相应的配筋。模型中混凝土采用C30，构造柱和圈梁配有4根HRB400钢筋。构造柱中配筋的间距为150 mm;圈梁配筋高度方向间距50 mm，水平方向间距为100 mm;顶板的配筋在顶板的中间部位，钢筋等级为HRB335，双向配筋，间距为100 mm。为了减少加固模型，房屋中墙体完好，没有门洞和窗洞，模型如图1所示。
采用ANSYS有限元软件建立模型进行分析。砖和混凝土材料选用Solid65单元;钢筋选用Link8单元;碳纤维选用Shell41膜单元，这种单元只能承受拉应力而不能承受压应力。
3．2 裂缝发展分析
在裂缝分析过程中，X轴正负方向的墙体为右墙和左墙，Z轴正负方向上的墙体分别为前墙和后墙。房屋在水平荷载的作用下，裂缝最先在右墙的底部两侧发生，随着荷载的增大，裂缝在右墙的底部和侧墙的底部相继产生;当作用荷载达到1 kN时，裂缝有由荷载右墙的中间底部向上部快速发展的趋势;当作用力达到1．15 kN时，右墙上的裂缝由底部快速向上发展，但是中间的裂缝发展的很快，已经接近于圈梁的底部，而靠近构造柱的墙体上裂缝发展的很慢，可以说，构造柱有很好的限制裂缝发展的作用，如图2，图3所示。
图1 房屋模型
图2 模型W中27步裂缝云图
图3 模型W中28步裂缝云图
4 加固砌体房屋模型分析
4．1 模型裂缝分析
根据模型的计算结果中的裂缝云图，可以清晰的看出：模型W外表面裂缝面积会随着荷载步的增大而增大，但是每个荷载之间裂缝面积增长较为不均匀，在有的相邻荷载步之间，裂缝的面积会有较大的突变;模型上裂缝产生是随着荷载步的增加而相对较为均匀的增长，在相邻的荷载步之间，裂缝面积增大较为均匀，突变较小，在一定的荷载步之后，裂缝面积要大于模型W。通过上述分析说明加固可以使房屋更多部分参与承担荷载作用，增大房屋整体的耗能了，如图4，图5所示。
图4 模型W5中27步裂缝云图
图5 模型W5中28步裂缝云图
4．2 加固房屋应力分析
在房屋模型中构造柱和圈梁材料是钢筋混凝土，墙体是砖，因此构造柱和圈梁的抗拉强度、抗剪能力都是远大于墙体的，破坏是从墙体开始的，而且现实砖砌体结构中都是主要由墙体来承受外部荷载作用，所以在有限元模型分析中以墙体为研究对象，分析各种加固方案对于房屋墙体最大应力的影响。
房屋在1．4 kN荷载作用下，加固模型墙体的最大应力都要小于未加固模型墙体的最大应力，说明使用碳纤维布加固砖砌体房屋可以增强墙体的耗能能力，提高墙体的开裂荷载，使墙体的应力变化更为均匀，减小墙体的应力集中。
4．3 模型碳纤维上应力位移分析
碳纤维布是线性材料，具有很大的抗拉强度，在房屋加固中主要是与粘贴长度方向上的砖体共同承担拉力作用，或者说是提高粘贴处的抗拉强度。ANSYS后处理中显示，碳纤维在长度方向上节点的位移和应力为零，这与有限元模型建立中碳纤维材料采用Shell41单元是相符的，因此不做详细分析。碳纤维布中部区域的节点都是处于相应房屋墙体中部区域，此处节点的位移与应力变化情况可以代表墙体中部节点的位移与应力的变化趋势。
5 结语
经过ANSYS有限元分析软件建立的碳纤维布加固与未加固的砖砌体房屋数值分析模型，对加固模型进行拟静力数值模拟计算，分析碳纤维布加固砖砌体房屋抗震力学特性，不同方式粘贴碳纤维布对于砖砌体房屋的影响，通过各模型结果的对比，可以得出结论：
1)粘贴碳纤维布的应用，能够控制砖砌体房屋的裂缝发展，不会大面积出现裂缝情况，使裂缝分布的更为均匀。2)在经过碳纤维布加固的砖砌体房屋中，碳纤维布能够分担部分地震力对房屋的影响，提高了砖砌体的延性。3)通过碳纤维加固后的房屋，其最大位移要小于在相同荷载作用下未加固的房屋，碳纤维的使用控制了房屋的水平位移，提高了房屋的整体抗震性能。
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Application of ANSYS simulation under seismic action of mechanical properties of reinforced masonry
DING Feng
(Hebei United University，Tangshan 063009，China)
The carbon fiber composite material reinforced masonry structure ANSYS finite element numerical simulation，respectively to establish overall masonry building model and different carbon fiber reinforcement model．On the analysis of different reinforcing schemes，research and compare reinforcement of the failure mode of the model，strength，ultimate displacement and so on，so as to provide theoretical reference for CFRP reinforced brick masonry building on the seismic performance．
masonry，earthquake action，ANSYS
TU746．3
A
10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.117
1009-6825(2013)10-0046-02
2013-01-11
丁 峰(1984-)，男，助理工程师
