施 榮 原國華

(1酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，甘肅 酒泉 735000；2山西交科橋梁隧道加固維護(hù)工程有限公司，山西 太原030000)

砌體結(jié)構(gòu)雖具有一定的抗壓承載能力，但其抗拉、抗剪、抗彎能力均較差，尤其是無筋砌體整體性較差，承載力較低，極易在外荷載作用下產(chǎn)生裂縫，主要為斜裂縫和水平裂縫。斜裂縫主要是由于施加于墻體的往復(fù)水平剪力與墻體本身所受的豎向壓力引起的主拉應(yīng)力過大，超過砌體結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生的剪切裂縫。斜拉筋加固技術(shù)就是通過斜拉筋抵抗水平方向的剪力，使墻體自身承擔(dān)的剪力減小，推遲了裂縫的出現(xiàn)，能有效提高墻體的抗剪強(qiáng)度與抗變形能力，同時也提高了墻體的抗壓承載力。本文通過大型有限元分析軟件ANSYS對斜拉筋加固砌體結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行分析，得出一些對工程設(shè)計和分析有益的結(jié)論。

1 有限元模型

1.1 建立計算模型

以無筋墻和斜拉筋加固磚砌體作為對比研究對象，計算模型具體參數(shù)見表1，墻片經(jīng)ANSYS程序網(wǎng)格劃分后的模型見圖1(a圖，b圖)。

表1 試件設(shè)計參數(shù)表

圖1 有限元網(wǎng)格劃分

五個試件均采用M5水泥砂漿砌筑，磚為Mu10，尺寸為900mm×600mm×240mm。砌體上下各設(shè)鋼筋混凝土梁，分別模擬圈梁和地梁，截面尺寸為240mm×300mm，長1200mm。YGQ-12用Φ12的鋼筋且施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力控制值為鋼筋屈服強(qiáng)度的60%，圈梁和地梁縱向鋼筋為4根直徑12mm的HRB335鋼筋，箍筋為直徑6mm、間距200mm的HPB235鋼筋，混凝土強(qiáng)度C20[1][2]。

表2 材料特性參數(shù)

2 模型材料參數(shù)的選定

1)材料模式本構(gòu)關(guān)系及破壞準(zhǔn)則

進(jìn)行非線性有限元分析，合理選取材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系是至關(guān)重要的，目前有限元分析只有參照類似材料的常用破壞準(zhǔn)則，通過參數(shù)的適當(dāng)選取來最大限度地模擬砌體的破壞[3]。

砌體材料的屈服準(zhǔn)則可以考慮使用巖土工程中廣泛使用的Drucker—Prager(DP)準(zhǔn)則或ANSYS專門為鋼筋混凝土單元SOLID65開發(fā)的CONCRETE材料破壞準(zhǔn)則[4][5]。

破壞面是加工強(qiáng)化區(qū)域的極限，由于理想彈塑性假定，DP材料的破壞面同屈服面(圖2)[6]。

圖2 Drucker—Prager準(zhǔn)則和Mohr—Coulomb屈服面

采用CONCRETE材料時，可結(jié)合多線性隨動強(qiáng)化模型(MKIN)來定義砌體的單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線；CONCRETE材料屬性表用于確定材料的強(qiáng)度準(zhǔn)則，受拉失效由最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則確定，三向受壓時采用Wil-lam-Warnke五參數(shù)失效準(zhǔn)則，屈服面由等5個參數(shù)表述；破壞面最少輸入這2個參數(shù)確定，和f2等3個參數(shù)可取默認(rèn)值，此時應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)滿足代表主應(yīng)力，否則在高靜水壓力下五個失效參數(shù)都必須指定[7]～[9]。

CONCRETE屬性表中還有3個參數(shù)用來反映材料開裂后的狀態(tài)：裂縫張開時剪力傳遞系數(shù)，一般可取0.3～0.5；裂縫閉合時剪力傳遞系數(shù)，可取0.9～1.0；拉應(yīng)力釋放量乘子cT，可取0.6[10]。

2)其它材料特性參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)資料[11]，取粘土磚彈性模量、砂漿的彈性模量Em的表達(dá)式分別為：

其中：f1—磚的抗壓強(qiáng)度平均值，

f2—砂漿的抗壓強(qiáng)度平均值。

有限元分析的其它材料參數(shù)取值見表2。

3)荷載

為了反映荷載隨時間變化的情況，ANSYS采用了時間函數(shù)的方法，即把荷載看作是時間的函數(shù)，逐步加載，這樣就可以比較細(xì)致的了解構(gòu)件由加載至開裂出現(xiàn)裂縫的全過程，并且有利于非線性解的收斂。

3 有限元計算結(jié)果及分析

對表2列出的墻片進(jìn)行非線性有限元計算，計算結(jié)果表明試件WGQ 、GQ-8、GQ-12、GQ-16與YGQ-12的極限荷載分別為75KN、86.25KN、90.75KN、105KN、109.5KN，極限承載力分別提高了15%、21%、40%、46%。為了分析各片墻體在彈性階段應(yīng)力狀態(tài)和變形特性，圖3-圖7給出了各個墻片的Mise應(yīng)力圖，圖8～圖13給出了墻片水平位移圖。通過有限元分析，可以得出以下結(jié)論：

1)對墻體施加預(yù)應(yīng)力加固后，有限元分析結(jié)果表明墻體達(dá)到極限荷載的時候墻體的水平位移變化不大，試驗(yàn)結(jié)果變化較大，可能是由于試驗(yàn)時墻體上端沒有嵌固好，墻體發(fā)生輕微的轉(zhuǎn)動(圖 3- 圖 7)。

圖3 WGQ位移分布圖

圖4 GQ-8位移分布圖

圖5 GQ-12位移分布圖

圖6 GQ-16位移分布圖

圖7 YGQ-12位移分布圖

圖8 WGQ應(yīng)力分布圖

2)與普通墻體相比，斜拉筋加固后，墻片上各片區(qū)域的剪應(yīng)力均有所提高，表明施加預(yù)應(yīng)力后可以改善墻體的抗剪能力，提高墻體的開裂荷載和極限荷載(圖8-圖13)。

圖9 GQ-8應(yīng)力分布圖

3)有限元分析計算出的墻體開裂荷載與試驗(yàn)實(shí)測值相差2KN左右(表3)，筆者認(rèn)為造成這種差異的原因大概有以下原因：一是在進(jìn)行有限元建模時砂漿和磚之間的粘結(jié)滑移是靠單元之間公用節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的，與實(shí)際構(gòu)件有差異；二是試驗(yàn)過程中由于上部圈梁嵌固不好，整個墻片會發(fā)生局部細(xì)小轉(zhuǎn)動，也是造成有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有差異的原因之一。

圖11 GQ-16應(yīng)力分布

圖12 YGQ-12應(yīng)力分布圖

4)墻體的初始裂縫都出現(xiàn)在墻體的底部(圖13-圖17)，這與實(shí)際偽靜力試驗(yàn)中墻體初始裂縫部位不吻合。筆者認(rèn)為主要由于有限元分析時不能將墻體自重對抗剪強(qiáng)度的有利影響考慮進(jìn)去，這樣就造成有限元分析時加載端墻體下角部的主拉應(yīng)力最大，因此模擬出墻體底部受拉邊緣出現(xiàn)豎向和水平裂縫。

圖13 WGQ-12 裂縫分布圖

圖14 GQ-8 裂縫分布

圖15 GQ-12 裂縫分布圖

圖16 GQ-16 裂縫分布

圖17 YGQ-12裂縫分布

表3 有限元計算分析與試驗(yàn)結(jié)果對比表

4 結(jié) 語

1)對斜拉筋加固的砌體結(jié)構(gòu)墻片進(jìn)行有限元分析，首先要為砌體選擇合適的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，確定合理的破壞準(zhǔn)則。由于砌體材料的復(fù)雜性，其各向異性的特性較為顯著，因此相對來說，對于砌體的非線性分析精度稍低。若要獲得理想的分析結(jié)果，還需要在砌塊砌體的基本力學(xué)性能方面開展大量的研究工作。

2)有限元分析結(jié)果表明，幾個模型墻片的彈性應(yīng)力分布計算結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象較為吻合；非線性有限元分析計算出的墻體開裂荷載與偽靜力試驗(yàn)結(jié)果也較為接近，基本能夠滿足工程精度的要求。

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