CFRP加固框架填充墻結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

叢湘林 張豐琪 孟春

摘要：本文利用大型有限元軟件ANSYS分別建立了CFRP加固單跨五層框架填充墻結(jié)構(gòu)的有限元模型，通過改變加固方式分析了CFRP加固框架填充墻結(jié)構(gòu)的抗震性能。

關(guān)鍵詞：CFRP;框架填充墻;有限元分析

1.前言

利用碳纖維（CFRP）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固已經(jīng)在實(shí)際工程中得到廣泛的應(yīng)用，這種方式加固不僅可以改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，而且具有不增加結(jié)構(gòu)自重不改變結(jié)構(gòu)截面尺寸的優(yōu)點(diǎn)。本文以單跨五層框架填充墻結(jié)構(gòu)為例（如圖1所示，框架柱尺寸為400mm×400mm，框架梁尺寸為250mm×400mm，填充墻厚度為120mm）。分別建立了把填充墻當(dāng)作荷載輸入的純框架結(jié)構(gòu)、未加固框架填充墻結(jié)構(gòu)、首層加固的框架填充強(qiáng)模型、一二樓層加固的框架填充墻結(jié)構(gòu)模型、一三五樓層加固的框架填充墻結(jié)構(gòu)模型和全樓加固的框架填充墻模型共計(jì)六個(gè)有限元模型，并對(duì)這些模型進(jìn)行了抗震性能分析。

圖1? 框架填充墻結(jié)構(gòu)和全樓加固示意圖

2 抗震性能分析

2.1單元的選擇

對(duì)框架結(jié)構(gòu)中的梁和柱選用Ansys中的Beam3單元，本文選用Contac178單元作為填充墻和框架結(jié)構(gòu)之間的接觸單元，選用Shell41單元模擬碳纖維。

2.2 有限元分析

本文利用天津波分別對(duì)各種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了動(dòng)力時(shí)程分析，得到了不同結(jié)構(gòu)形式的地震響應(yīng)。天津波的最大加速度為1.0338m/s2，加載時(shí)間為19.2s，共計(jì)960個(gè)荷載步，天津波的加速度譜如圖2所示。本文采用完全法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程分析，結(jié)構(gòu)的阻尼比設(shè)置為0.05。

圖2? 天津波加速度時(shí)程曲線圖

2.2.1 不同形式的結(jié)構(gòu)頂層水平方向最大位移

經(jīng)過計(jì)算后得到不同結(jié)構(gòu)形式框架結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平方向最大位移時(shí)程曲線如圖2.2.1-1～2.2.1-6所示。

圖2.2.1-1? 純框架頂層位移時(shí)程曲線

圖2.2.1-2 未加固框架填充墻結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程曲線

圖2.2.1-3 首層加固結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程曲線圖

圖2.2.1-4 一二樓層加固結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程曲線

圖2.2.1-5 一三五樓層加固結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程曲線

圖2.2.1-6 全樓加固結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程曲線

以頂層位移最大時(shí)刻的時(shí)間為基準(zhǔn)，得到各樓層此時(shí)的位移，見表2.2.1-1。繪制出此時(shí)沿各樓層發(fā)生的水平位移包絡(luò)圖，如圖2.2.1-7所示。

表2.2.1-1? 各層最大水平位移（mm）

結(jié)構(gòu)形式

樓層數(shù)

一

二

三

四

五

純框架

1.76

4.41

6.69

8.23

9.03

未加固

1.27

3.11

4.72

5.01

6.04

首層加固

1.07

2.32

3，24

3.99

4.55

一二樓層加固

0.97

2.07

2.89

3.56

4.05

一三五樓層加固

0.90

2.11

2.90

3.41

3.88

全樓加固

0.79

1.78

2.48

3.04

3.47

圖2.2.1-7? 各層水平位移變化圖

由位移數(shù)據(jù)可以得到，在地震作用下，各種形式結(jié)構(gòu)的最大位移存在差異，隨著結(jié)構(gòu)剛度的提高各樓層的水平位移都有減小，由圖2.2.-72可以看出，經(jīng)過加固后的結(jié)構(gòu)水平最大位移比未加固的結(jié)構(gòu)減小幅度明顯，不同加固形式的結(jié)構(gòu)最大位移相差幅值不大。

2.2.2不同形式的結(jié)構(gòu)水平方向最大底部剪力

在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析過程中，框架柱底部會(huì)產(chǎn)生剪力，而且剪力大小也會(huì)隨著時(shí)間變化而變化，通過對(duì)每種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析后得到底部最大剪力值見表2.2.2-1所示。

表2.2.2-1? 水平方向最大底部剪力（kN）

結(jié)構(gòu)形式

純框架

未加固

首層加固

一二樓層加固

一三五樓層加固

全樓加固

底部最大剪力

10.08

21.52

26.19

32.81

36.93

39.19

由最大剪力表格可以得出，加入填充墻后結(jié)構(gòu)的底部最大剪力大約是純框架結(jié)構(gòu)的2倍;說明填充墻的加入對(duì)結(jié)構(gòu)剛度影響較大。相對(duì)于未加固的框架填充墻結(jié)構(gòu)而言，經(jīng)過碳纖維布加固后結(jié)構(gòu)的最大剪力也都有所增大，而且隨加固量的增大而增大，增幅分別為21.7%、52.4%、71.6%和82%，說明碳纖維加固前后對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度的影響不可忽略。

2.2.3 不同形式的結(jié)構(gòu)耗能分析

在遭遇地震時(shí)，結(jié)構(gòu)的耗能水平反映其抗震能力，將任意時(shí)刻t結(jié)構(gòu)的耗能（單位是焦（J））定義為（式中：—t時(shí)刻結(jié)構(gòu)底部剪力;—t時(shí)刻結(jié)構(gòu)頂層位移）。利用計(jì)算得到的底部剪力時(shí)程曲線和頂層位移時(shí)程曲線，進(jìn)行計(jì)算得到不同結(jié)構(gòu)形式的耗能時(shí)程曲線圖（如圖2.2.3-1～2.2.3-6）。

圖2.2.3-1? 純框架結(jié)構(gòu)耗能時(shí)程曲線圖

圖2.2.3-2? 未加固框架填充墻結(jié)構(gòu)耗能時(shí)程曲線圖

圖2.2.3-3? 首層加固框架填充墻結(jié)構(gòu)耗能時(shí)程曲線圖

圖2.2.3-4? 一二樓層加固框架填充墻結(jié)構(gòu)耗能時(shí)程曲線圖

圖2.2.3-5? 一三五樓層加固框架填充墻結(jié)構(gòu)耗能時(shí)程曲線圖

圖2.2.3-6? 全樓加固框架填充墻結(jié)構(gòu)耗能時(shí)程曲線圖

利用數(shù)學(xué)處理軟件Origin8.0對(duì)耗能時(shí)程曲線進(jìn)行積分，得到結(jié)構(gòu)在地震作用下消耗的總能量（見表2.2.3-1所示）。

表2.2.3-1? 結(jié)構(gòu)耗能值

結(jié)構(gòu)形式

純

框架

未

加固

首層

加固

一二樓層

加固

一三五樓層

加固

全樓

加固

最大耗能值

89.98

97

104

115.7

131.09

119.31

總的耗能值

54.26

67.92

76.28

85.24

96.72

87.19

由不同結(jié)構(gòu)形式的耗能能力可以看出，填充墻的加入能提高框架的耗能能力，相對(duì)于未加固的結(jié)構(gòu)而言，經(jīng)過加固后的結(jié)構(gòu)耗能能力明顯增大，增幅分別為12%、25%、42%和28%，其中隔層加固后的結(jié)構(gòu)耗能能力增幅最大，說明這種加固方式在提高結(jié)構(gòu)延性，改善結(jié)構(gòu)抗震性能方面有其優(yōu)越性，在實(shí)際應(yīng)用中不失為一種好的加固方法。

3小結(jié)

通過利用有限元軟件Ansys對(duì)碳纖維布加固某五層框架填充墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析和動(dòng)力時(shí)程分析。經(jīng)過計(jì)算對(duì)比分析，不同加固方式下結(jié)構(gòu)的自振頻率、頂層最大水平位移、底部剪力以及耗能性能均不同。結(jié)構(gòu)的自振頻率、和底部剪力隨著加固量的增大而增加，頂層最大水平位移隨著加工量的增大而減小，而隔層加固后的結(jié)構(gòu)耗能性能最好，分析的相關(guān)數(shù)據(jù)可以作為參考資料應(yīng)用于實(shí)際工程實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

[1]王全鳳，黃奕輝，楊勇新.結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)及使用計(jì)算[M].北京：中國電力出版社，2009

[2]趙彤，張展軍，謝劍，李偉林.碳纖維布加同開裂磚墻的試驗(yàn)研究[J]，特種結(jié)構(gòu)，2002.19（1）：58-62

[3]苗吉軍.地震作用下砌體結(jié)構(gòu)倒塌反應(yīng)的計(jì)算機(jī)仿真分析[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2003：25-45

[4]李常青.填充墻框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型修正研究[D].湖南：湖南大學(xué)，2004

[5]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007：30-31，479-485

[6]趙國藩.高等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：128-146

[7]佟洪江.鋼筋混凝土構(gòu)件的非線性分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2009：11-22

[8]豐定國.工程結(jié)構(gòu)抗震[M].北京：地震出版社，2005：32-37

[9]劉衛(wèi)國.碳纖維布在砌體結(jié)構(gòu)抗震加固中的試驗(yàn)和應(yīng)用[D].建筑技術(shù)，2004，23（1）：，200 -202