基于ABAQUS砌體結(jié)構(gòu)水平嵌筋加固動(dòng)力分析

朱成成 李莉 李海宏

摘要：傳統(tǒng)村落建筑是中華傳統(tǒng)文化的重要載體，然而對(duì)傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)加固更加注重建筑歷史和風(fēng)貌的保護(hù)，本文基于配筋砌體的思想提出水平嵌筋加固方法對(duì)砌體結(jié)構(gòu)加固；利用ABAQUS中混凝土損傷塑性模型對(duì)太行山區(qū)傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平嵌筋加固彈塑性動(dòng)力分析，具體分析主要水平嵌筋間距對(duì)砌體結(jié)構(gòu)加固效果的影響。結(jié)果表明嵌筋間距越小，結(jié)構(gòu)層間位移較越小，加固效果越好，嵌筋間距在150～300mm較為加固效果較為合理。

Abstract： Traditional village architecture is an important carrier of traditional Chinese culture， however， the preservation of traditional masonry structure is more emphasis on architectural history and features. Based on the idea of reinforced masonry， the method of horizontal reinforcing bars embedded in masonry structure is put forward to reinforce masonry structure. The elastic-plastic dynamic analysis of horizontal reinforcing bars embedded in the traditional masonry structure in Taihang mountain area is carried out based on the plastic model of concrete damage in ABAQUS. The influence of horizontal spacing of reinforcement on masonry structure is analyzed. The smaller the spacing of the reinforcement is， the smaller the displacement Angle between the structural layers is and the better the reinforcement effect is. From the above analysis， it can be seen that the spacing of the embedded bars is more reasonable at 150～300mm.

關(guān)鍵詞：砌體結(jié)構(gòu)；嵌筋加固；混凝土損傷模型；時(shí)程分析

Key words： masonry structure；horizontal reinforcing bars；concrete damaged plasticity model；time-history analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：TU364 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）12-0122-03

0 引言

傳統(tǒng)村落建筑是承載和體現(xiàn)中華民族傳統(tǒng)文明的重要載體，傳統(tǒng)村落大多是砌體結(jié)構(gòu)且是自建房屋，沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和施工等原因，結(jié)構(gòu)存在很大的安全隱患，抗震性能較差。然而對(duì)傳統(tǒng)村落砌體結(jié)構(gòu)的加固要更加注重建筑風(fēng)貌的保護(hù)，現(xiàn)階段的加固方案對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的外觀(guān)改變較大；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)軌蜉^真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)抗震性能和加固效果，但振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)所需經(jīng)費(fèi)較大，常常受試驗(yàn)設(shè)備限制，很難全面地去做振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。隨著數(shù)值模擬技術(shù)水平的提高，選取合理的計(jì)算模型及參數(shù)，便能夠較好模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)以及加固方案的優(yōu)良?；谏鲜龅仍虮疚牟捎盟角督罴庸碳夹g(shù)對(duì)太行山區(qū)傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)加固，采用ABAQUS有限元軟件以太行山區(qū)典型砌體房屋為研究對(duì)象，建立合理的砌體有限元模型，分析砌體結(jié)構(gòu)在地震作下裂縫發(fā)展過(guò)程以及破壞程度，為后期加固提供依據(jù)。

1 ABAQUS參數(shù)選取

1.1 ABAQUS混凝土損傷塑性模型 混凝土損傷塑性模型[1][2]采用的是雙參數(shù)DP破壞準(zhǔn)則，假定混凝土材料主要由拉伸開(kāi)裂與壓縮壓碎兩種破壞形式，對(duì)應(yīng)于由受拉損傷參數(shù)與受壓損傷參數(shù)分別控制混凝土的拉壓行為，如圖1所示。

該模型通過(guò)硬化控制屈服破壞面的演化，表示的是拉伸等效塑性應(yīng)變，表示壓縮等效塑性應(yīng)變。材料在彈性階段的采用線(xiàn)彈性模型進(jìn)行描述，進(jìn)入到損傷階段后，材料的彈性模量可以表示為初始無(wú)損彈性模量和損傷因子之間d的關(guān)系（1），

E=（1-d）E0 （1）

式中，E0為材料的初始彈性模量；d為損傷因子，材料未損傷時(shí)，彈性剛度矩陣無(wú)退化d=0；材料完全損傷時(shí)d=1。對(duì)應(yīng)的“有效”拉伸與“有效”壓縮應(yīng)力決定了破壞面的大小，定義如下：

1.2 砌體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 本文采用楊衛(wèi)忠[3]在基于細(xì)觀(guān)單元強(qiáng)度分布特征的基礎(chǔ)上，確定了損傷的表達(dá)式，并簡(jiǎn)化形式得到砌體模型單軸受壓損傷的本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式如下：

2 傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)水平嵌筋加固地震時(shí)程分析

砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)件是由砌塊與砂漿組合而成的復(fù)合構(gòu)件，根據(jù)分析目的一般有分離式建模和整體連續(xù)建模，由于本文主要研究砌體結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，故采用整體連續(xù)方式建模。

2.1 有限元模型設(shè)計(jì) 本文砌體采用三維8節(jié)點(diǎn)實(shí)體減縮積分單元，鋼筋采用T3D2桁架單元，按照實(shí)際嵌筋位置以ABAQUS中embed的方式嵌入墻體；不考慮木過(guò)梁與墻體的相對(duì)滑移，采用tie方式將木過(guò)梁與墻體連接；由于屋頂?shù)谋奚倚?yīng)，故將屋面荷載以及相應(yīng)的質(zhì)量按等效密度的方式施加在檁條上，檁條與山墻采用MPC鉸接方式連接。為了簡(jiǎn)化模型，木材選用用各向同性材料，彈性模型為9702MPa，泊松比為0.15，選用ABAQUS中B31梁?jiǎn)卧?。根?jù)《砌規(guī)》對(duì)鋼筋使用要求，本文采用HRB300級(jí)鋼，直徑為8的鋼筋對(duì)砌體進(jìn)行加固，嵌筋間距分別為100、200、300mm

2.2 地震波選取及其調(diào)幅 本文選取經(jīng)典El-Centro波進(jìn)行雙向動(dòng)力彈塑分析，根據(jù)《抗規(guī)》表5.1.2-2的規(guī)定及條文說(shuō)明（雙向地震波的峰值比1：0.85），對(duì)地震波加速度峰值進(jìn)行調(diào)幅，X方向輸入地震波加速度峰值為0.32g，Y方向施加的地震波峰值為0.298g，相當(dāng)于施加雙向7度0.15g罕遇地震下的地震波，由于該地震波記錄持時(shí)較長(zhǎng)且后一段加速度較小，故本文選取前15s，以涵蓋地震波的最強(qiáng)部分。

3 動(dòng)力分析結(jié)果

3.1 損傷參數(shù)分析 本文選取A軸縱墻橫墻，利用受拉損傷參數(shù)值對(duì)其進(jìn)行定量分析。由圖2，可以看出四個(gè)模型的A軸墻的受拉損傷均在2s后產(chǎn)生，但是A軸墻體在2～6s急劇發(fā)展，并趨于平穩(wěn)，且隨著嵌筋間距的減小，砌體平均受拉損傷峰值逐漸減小且小于未加固模型。

3.2 層間位移角分析 根據(jù)文獻(xiàn)[6]的劃分，給出未加固模型以及不同嵌筋間距模型的最大層間位移角與各性能水準(zhǔn)的對(duì)比，由圖3可以看出經(jīng)加固后的模型三和模型四保持完好，可以正常使用，二者基本處于同一等級(jí)；模型二介于1/1600水準(zhǔn)線(xiàn)上，由中等破壞向輕微破壞過(guò)渡；而未加固的模型一則處于1/700水準(zhǔn)線(xiàn)上向著嚴(yán)重破壞發(fā)展；由此可以說(shuō)明在鋼筋直徑相同的情況下，隨著嵌筋間距的減小，砌體結(jié)構(gòu)趨于良好運(yùn)行狀態(tài)，建議在采用水平嵌筋加固太行山區(qū)傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)時(shí)，水平嵌筋間距在150～300mm之間。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)平均受拉損傷參數(shù)分析，在鋼筋直徑相同的情況下，隨著水平嵌筋間距減小，平均受拉損傷參數(shù)值逐漸減小，加固效果明顯提高。加固后結(jié)構(gòu)的最大層間位移減小，隨著嵌筋間距的減小，最大層間位移遞減幅度趨于平緩，通過(guò)最大層間位移角與文獻(xiàn)[6]劃分的水準(zhǔn)線(xiàn)對(duì)比，判斷出在嵌筋間距在150～300mm之間結(jié)構(gòu)處于可運(yùn)行狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王蓓蓓，董軍.基于損傷塑性模型的砌體墻體非線(xiàn)性有限元分析[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2014，34（02）：216-222.

[2]劉杰.基于ABAQUS整體式模型下砌體結(jié)構(gòu)抗震性能影響因素研究[D].湖南大學(xué)，2014.

[3]楊衛(wèi)忠.砌體受壓本構(gòu)關(guān)系模型[J].建筑結(jié)構(gòu)，2008（10）：80-82.

[4]鄭妮娜.裝配式構(gòu)造柱約束砌體結(jié)構(gòu)抗震性能研究[D].重慶大學(xué)，2010.

[5]張望喜，段連蕊，廖莎，基于ABAQUS的砌體結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2016，46（01）：64-70，86.

[6]李佳.基于數(shù)值模擬的砌體結(jié)構(gòu)倒塌影響因素分析及抗倒塌措施初探[D].重慶：重慶大學(xué)，2013.