張瀠心，楊德健，張曉雪

(天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384)

土木工程

玄武巖纖維布加固框架結(jié)構(gòu)抗震性能數(shù)值分析

張瀠心，楊德健，張曉雪

(天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384)

利用玄武巖纖維布對(duì)九層框架的梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了加固，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)不同加固方案下結(jié)構(gòu)的整體抗震性能進(jìn)行了動(dòng)力分析．分析結(jié)果表明，在玄武巖纖維布用料相同的條件下，局部加固框架的角柱節(jié)點(diǎn)比邊柱節(jié)點(diǎn)更有助于提高框架結(jié)構(gòu)的抗震能力，且在地震作用下，采取整體加固的方案更有助于提高框架結(jié)構(gòu)的安全性．

框架結(jié)構(gòu)；抗震性能；玄武巖纖維布加固；數(shù)值分析

近年來(lái)，我國(guó)各地震區(qū)內(nèi)鋼筋混凝土框架房屋較多，在設(shè)計(jì)房屋時(shí)采取了一些構(gòu)造措施來(lái)增加結(jié)構(gòu)的延性[1]，但是從汶川地震的震害調(diào)查結(jié)果來(lái)看，大部分框架結(jié)構(gòu)均發(fā)生了梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞，其中柱端破壞較多，即實(shí)際工程中的框架結(jié)構(gòu)未能實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)中最重要的“強(qiáng)柱弱梁”原則[2]．因此，提高既有建筑的抗震性能具有十分重要的意義．

目前，常用的纖維材料中，玻璃纖維耐久性差且彈性模量低，芳綸纖維價(jià)格高且彈性模量低，碳纖維材料應(yīng)用較為廣泛[3-4]，但是其價(jià)格較貴．相比之下，玄武巖纖維材料具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：力學(xué)性能和耐久性?xún)?yōu)良；原材料多且價(jià)格低廉，僅為碳纖維的1/8～1/5左右；適用于不同環(huán)境下的加固；延性好、抗拉強(qiáng)度高等[5]．因此，筆者選擇玄武巖纖維材料進(jìn)行分析研究，建立九層的鋼筋混凝土框架模型，對(duì)比分析不同加固方案下框架節(jié)點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)以及水平位移曲線(xiàn)，從而得到最為有效的加固方案．

1 框架結(jié)構(gòu)數(shù)值模型

參照文獻(xiàn)[3]，取九層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象．首層層高為6,m，二層至九層層高均為3,m．框架結(jié)構(gòu)的平面布置如圖1所示．梁、柱均采用強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土，柱截面為0.6,m×0.6,m，梁截面為0.3,m×0.6,m．

本研究選取實(shí)體單元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模，框架結(jié)構(gòu)整體模型中，混凝土單元選用Solid65單元[6]；鋼筋采用在混凝土實(shí)體單元Solid65中添加配筋率的處理方式，將鋼筋按各方向體積比分布在混凝土單元中；纖維布用Shell41單元來(lái)模擬[7]．框架結(jié)構(gòu)的整體數(shù)值模型如圖2所示，模型中所定義的各材料參數(shù)見(jiàn)表1．

圖1 框架結(jié)構(gòu)平面布置

圖2 框架結(jié)構(gòu)整體模型

表1 模型材料參數(shù)

在對(duì)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，參照建筑實(shí)際尺寸建立的模型過(guò)于龐大，為了提高計(jì)算速率，根據(jù)加固方案的不同，對(duì)纖維布加固區(qū)域進(jìn)行了尺寸較小、單元網(wǎng)格較密的劃分，對(duì)未加固部位采用較大的網(wǎng)格進(jìn)行劃分．

2 玄武巖纖維布加固方案

為了比較不同加固方案對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響[8-9]，分別設(shè)計(jì)了玄武巖纖維布局部加固框架結(jié)構(gòu)角柱節(jié)點(diǎn)和邊柱節(jié)點(diǎn)的方案，同時(shí)與整體加固全部梁柱節(jié)點(diǎn)的方案(既加固邊柱又加固角柱)進(jìn)行對(duì)比．由于在四榀框架結(jié)構(gòu)中，邊柱和角柱的數(shù)量都為4根，具有可比性，而中柱僅有1根，在數(shù)量上與前兩種類(lèi)型柱不等，不具有可比性．因此，加固方案中沒(méi)有考慮單獨(dú)加固中柱的方案，具體的加固方案見(jiàn)表2．

表2 玄武巖纖維加固方案

3 框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析

3.1 地震波的選擇

地震波的選用要綜合考慮各方面的因素，主要包括地震動(dòng)強(qiáng)度、地震波的頻譜特性以及地震波持續(xù)時(shí)間．本研究的地震響應(yīng)分析選用寧河—天津地震波，該地震波間隔0.01,s取值，總時(shí)長(zhǎng)為5,s．分析時(shí)從所有的地震加速度取值中每0.1,s取一個(gè)值作為加速度文本文件中的數(shù)據(jù)，5,s時(shí)長(zhǎng)一共取值50個(gè)．其中地震加速度峰值為1.22m/s，相當(dāng)于0.12,g，對(duì)應(yīng)地震裂度為7度的地震作用．

3.2 框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

首先研究未加固的框架結(jié)構(gòu)(方案IV)在地震作用下的反應(yīng)情況．在框架結(jié)構(gòu)各層的地震作用反應(yīng)中，頂層由于約束較少，反應(yīng)最強(qiáng)烈．因此，取九層框架頂部的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，繪出在地震波作用下的框架頂層各方向位移時(shí)程曲線(xiàn)，如圖3所示．

由圖3可以看出，結(jié)構(gòu)在地震作用下，框架結(jié)構(gòu)頂層?xùn)|西向最大位移為2.163,cm，南北向最大位移為3.46,cm，豎向位移最大值為0.17,cm．其中南北向位移最大，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全起控制作用．因此，研究分析時(shí)以減小框架結(jié)構(gòu)頂層南北向的位移為目標(biāo)進(jìn)行分析．

圖3 框架頂層各方向位移時(shí)程曲線(xiàn)

為了更清楚的顯示框架結(jié)構(gòu)各部位在地震作用下的應(yīng)力大小，給出框架的第三主應(yīng)力云圖及框架梁柱節(jié)點(diǎn)的第三主應(yīng)力云詳圖，如圖4-5所示．可知梁柱節(jié)點(diǎn)處所承受的應(yīng)力最大，由核心區(qū)域所形成的“斜壓桿”承擔(dān)．在地震中節(jié)點(diǎn)的破壞導(dǎo)致整個(gè)框架喪失承載能力，因此，加固梁柱節(jié)點(diǎn)能有效地提高框架的抗震能力．

圖4 框架第三主應(yīng)力云圖

圖5 框架梁柱節(jié)點(diǎn)第三主應(yīng)力云詳圖

3.3 邊柱與角柱節(jié)點(diǎn)加固效果對(duì)比

為了比較在地震作用下框架結(jié)構(gòu)局部加固邊柱節(jié)點(diǎn)與角柱節(jié)點(diǎn)的差異，設(shè)計(jì)了在加固材料同為玄武巖纖維、加固層數(shù)同為四層的情況下，局部加固角柱節(jié)點(diǎn)和邊柱節(jié)點(diǎn)這兩種加固方案，得到不同方案下框架結(jié)構(gòu)的第三主應(yīng)力云圖，如圖6、圖7所示．

圖6 加固角柱后框架第三主應(yīng)力云圖

圖7 加固邊柱后框架第三主應(yīng)力云圖

由圖6和圖7可以看出，與未加固框架相比，用玄武巖纖維布分別加固框架結(jié)構(gòu)邊柱和角柱節(jié)點(diǎn)后，塑性鉸的數(shù)目明顯減少，從而降低了框架結(jié)構(gòu)在地震作用中梁柱節(jié)點(diǎn)處發(fā)生塑性鉸破壞的可能性．表3列出了各加固方案下框架底層柱的應(yīng)力值，比較方案I和方案II可知：框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力均有所減小，僅加固角柱時(shí)最大應(yīng)力降低了4.2%，僅加固邊柱時(shí)最大應(yīng)力降低了3%．說(shuō)明相比于僅加固邊柱節(jié)點(diǎn)的框架，僅加固角柱節(jié)點(diǎn)的框架應(yīng)力減小明顯．

圖8 框架各層最大水平位移曲線(xiàn)

表3 各加固方案下底層柱的應(yīng)力值 kPa

與未加固框架相比，由于加固后塑性鉸的出現(xiàn)的位置減少，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，從而在水平地震作用下，框架的最大位移和各層間位移都有所減?。虼耍蓤D8框架各層最大水平位移曲線(xiàn)可以看出，框架結(jié)構(gòu)在未加固的情況下頂層最大位移值為3.46,cm，僅加固角柱節(jié)點(diǎn)后的頂層最大位移為3.18,cm，與未加固相比減小了8.60%；僅加固邊柱節(jié)點(diǎn)后頂層最大位移為3.23,cm，與未加固相比減小了6.2%．由此表明：在玄武巖纖維布用料相同的條件下，僅加固角柱節(jié)點(diǎn)比僅加固邊柱節(jié)點(diǎn)更有助于提高框架結(jié)構(gòu)的抗震能力．從另一個(gè)角度分析，角柱節(jié)點(diǎn)在地震中將先于邊柱節(jié)點(diǎn)破壞，而柱體的破壞將會(huì)造成結(jié)構(gòu)的整體破壞．因此，應(yīng)當(dāng)首先選擇對(duì)框架的角柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)加固．

3.4 局部加固與整體加固效果對(duì)比

為了研究在加固材料及用量相同的情況下，整體加固效果與局部加固效果的差異，圖9給出了加固框架結(jié)構(gòu)全部梁柱節(jié)點(diǎn)的第三主應(yīng)力云圖．

圖9 方案IV的框架第三主應(yīng)力云圖

將圖9與前三個(gè)方案的框架第三主應(yīng)力云圖進(jìn)行比較，可以看出加固全部梁柱節(jié)點(diǎn)使框架結(jié)構(gòu)在受力上更加均勻，塑性鉸出現(xiàn)位置明顯減少．由表3可以得出，整體加固的方案應(yīng)力降低6.6%，與局部加固方式相比應(yīng)力減小明顯．對(duì)比圖8中整體與局部加固方案下框架各層的最大水平位移曲線(xiàn)，從中可以看出用2層纖維布加固框架結(jié)構(gòu)所有梁柱節(jié)點(diǎn)的頂層最大位移為3.08,cm，而用4層纖維布局部加固角柱節(jié)點(diǎn)及邊柱節(jié)點(diǎn)的最大位移分別為3.18,cm及3.23,cm．由此看出，用2層纖維布既加固邊柱節(jié)點(diǎn)又加固角柱節(jié)點(diǎn)的方案，與用4層纖維布單獨(dú)加固角柱節(jié)點(diǎn)或邊柱節(jié)點(diǎn)的方案在玄武巖纖維布用量上是相同的．因此，根據(jù)以上的分析可以看出，在條件允許的情況下，整體加固的框架抗震能力明顯優(yōu)于局部加固的框架．

4 結(jié) 論

本文利用ANSYS軟件對(duì)玄武巖纖維加固的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用下的時(shí)程分析．在分析時(shí)先建立有限元模型，進(jìn)行正確的網(wǎng)格劃分，得到結(jié)構(gòu)的基本動(dòng)力特性，對(duì)比了不同加固方案對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響，得出以下結(jié)論．

(1)與未加固的框架相比，加固后結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸的位置明顯減少，整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度有了一定的提高，從而減小了框架結(jié)構(gòu)各層的最大水平位移，結(jié)構(gòu)的抗震性能增強(qiáng)．

(2)在玄武巖纖維布用料相同的條件下，加固框架的角柱節(jié)點(diǎn)與加固邊柱節(jié)點(diǎn)相比，出現(xiàn)塑性鉸的幾率低、結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)移剛度提高明顯、框架各層的水平位移減小顯著．因此，僅加固角柱比僅加固邊柱更有助于提高框架結(jié)構(gòu)的抗震能力，應(yīng)當(dāng)首先選擇對(duì)角柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)加固．

(3)如果條件允許，在玄武巖纖維布用量一定的情況下，整體加固梁柱節(jié)點(diǎn)的方案更有利于提高框架結(jié)構(gòu)的抗震性能．

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（編輯校對(duì)：張?zhí)m娜）

Numerical Analysis on Seismic Behavior of Frame Structure Strengthened by Basalt Fiber Cloth

ZHANG Ying-xin，YANG De-jian，ZHANG Xiao-xue
(School of Civil Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

The beam-column joints of a nine-layered frame are strengthened with basalt fiber cloth，and a dynamic analysis of the overall seismic behavior of the structure under different reinforcement schemes is carried out by using ANSYS finite element analysis software. The analysis results show that，when using the same basalt fiber cloth material，compared with the side column joints，the corner column joints of the local reinforcement frame is more helpful to improve the seismic behavior of the frame structure；and during earthquake，taking the overall reinforcement scheme is more helpful to improve the safety of the frame structure.

frame structure；seismic behavior；reinforcement by basalt fiber cloth；numerical analysis

TU375.4

A

2095-719X(2014)05-0307-04

2014-01-15；

2014-03-28

張瀠心（1990—），女，天津人，天津城建大學(xué)碩士生.