钢筋网片加固砌体墙抗震性能的有限元分析

钢筋网片加固砌体墙抗震性能的有限元分析

范晓东 1，杨剑波 2

1 云南京鹏房地产开发有限公司，青海云南 昆明 650206； 2 云南省房地产开发经营（集团）有限公司，云南 昆明 650000；

摘要：通过对重庆三线遗址加固改造工程砌体墙进行有限元模拟，利用ANSYS有限元分析软件模拟实际加固砌体墙的拟静力加载试验，通过对墙体加固后的节点位移、压应力、剪应力等进行的分析，研究加固后墙片的抗震性能。所得结论可为后续砌体墙加固的模拟提供参考。

关键词：砌体墙；加固；抗震性能；有限元模拟

1 引 言

重庆地区某三线遗址宿舍楼约修建于20世纪60年代末，目前房屋基础未发现下沉现象，上部结构未发现因地基基础变形而致的裂缝，房屋墙体未发现裂缝及变形情况，房屋整体无倾斜，房屋目前无静载缺陷。但由于本工程建造时期缺乏抗震设防意识，当时砖砌体结构房屋中未设置合理的抗震构造措施，不能满足既定的抗震设防标准，且未设有构造柱或拉结筋。鉴于此，对该墙体进行了相关的加固改造，本文采用ANSYS有限元分析软件对加固后的砌体墙进行了抗震性能的模拟分析，研究成果可为后续砌体墙加固的模拟提供一定的参考和借鉴。

2 数值模型及模拟方法

考虑到墙体并未出现明显裂缝，采用双面钢筋网水泥砂浆对墙体进行加固，以达到增强刚度及侧向承载力的目的，按构造要求，采用M10水泥砂浆；因墙面剔除原墙面抹灰后，墙面不平整，故每边砂浆抹灰面层取厚50mm，以保证墙面平整，钢筋网及拉结筋统一采用采用

HPB235 级钢筋，双面加层的钢筋网采用Φ8间距为 200mm，钢筋网连接采取S 形穿墙筋连接，S形穿墙筋的间距为 900mm，呈梅花状布置，钢筋网四周应与楼板、墙体连接，采用锚筋、插入短筋、拉结筋连接方法进行连接；钢筋网的横向钢筋遇有门窗洞口时，双面加固将两侧横向钢筋在洞口闭合。

对于墙的钢筋网中的钢筋，有限元处理方式一般有两种方法：(l)分布式：假定钢筋弥散于整个有限单元中，并将单元视为连续均匀材料。这种方法建模简单，计算效率高，但对于钢筋分布不均匀的构件，不能精确的模拟构件的配筋情况。(2) 分离式：钢筋和混凝土各自选用合适的单元建模，二者共用节点。这种方法建模相对复杂，但钢筋布置十分灵活，能更精确地模拟构件，得到钢筋内力。由于混凝土和钢筋粘结很好，一般不考虑二者之间的滑移。如果考虑钢筋和混凝土之间的粘结和滑移，可以采用引入粘结单元的分离式模型。

计算中进行如下假定：(1) 混凝土和混凝土砌块材料最初假定为各向同性，不考虑混凝土和砌块的收缩和徐变的影响。(2) 单元采用整体式有限元模型，钢筋弥散于整个单元中。(3) 单元采用连续均质材料，不考虑混凝土、钢筋与砌体之间的相互作用和滑移。(4) 为防止单元单点加载而导致出现应力奇异，对模型单元加载时，竖向荷载施加采取均布面荷载。

为了更接近实际加固墙体，本文采用分离式处理方法。先定义好钢筋，再在嵌入砌体，布置拉结筋，外部生成水泥砂浆抹灰层。采用 ANSYS 单元中的 3-D 实体 SOLID65 单元模拟加固墙体抹灰（厚0.05 m）、3-D 实体 SOLID45 单元模拟原砌体墙、2-D 实体 PLANE42 单元用于拉伸实体、管PIPE20 单元模拟Φ8 钢筋。最终确定的墙体有限元模型如图1所示。考虑横墙竖向荷载最小为三层的1轴，其值为 46.6 kN/m，竖向荷载按静力计算最大值为一层5、6轴，其值为216.6 kN。滞回加载过程：首先施加竖向荷载；竖向荷载按静力计算最大值 216.6 kN，侧向力在竖向载荷不变的情况下分滞回加载。侧向力首先以20k N 开始，逐级加载，加载级为 20k N。

(a) 钢筋网骨架模型 (b) 加固墙体模型

图1 有限元计算模型

3 计算结果分析

竖向压力为最小的0.2 MPa时墙体的位移和应力的结果如表1和2所示。

表1 竖向压力0.2 MPa时的位移极值

表2 竖向压力0.2 MPa时的应力极值

从上表可以看出，在竖向压力为0.2 MPa时，墙体整体是安全的。而当竖向压力值取到0.9 MPa时，墙体将发生倾覆破坏，即墙体在竖向荷载达到0.9 MPa时发生破坏。

图2为在 x 方向地震波作用下墙体的位移云图。可以看出，墙体会发生钢筋网片脱离墙面而失去加固作用。这是钢筋网片加固砌体墙的主要缺点，就是任然无法形成整体效应，钢筋网片和砌体墙的弹性模量有一定的差量，在位移达到一定的程度时，钢筋网片很快和原砌体脱离，失去加固效力，极大提高后期维护成本。模型加载到 520k N 时墙体发生破坏，失去承载力，位移超过极限位移。说明此有限元模型抗侧力极限值为 520k N。

图2 水平地震作用下墙体的位移云图

对比现场的拟静力试验可以看出，本文采用的通过接触单元建立砖墙离散模型，并对其抗震性能进行分析的方法是可行的。

4 结论

本文利用分离式对加固后的墙体进行建模，并提出了相关单元的模拟方法，取得了以下主要结论：

(1) 通过接触单元建立砖墙离散模型，并对其受力性能进行了分析。分析结果表明，钢筋网网片拉结砌体墙可以形成一定的互相作用体系，使得整个模型与实际墙体的受力状态吻合良好。

(2) 通过对钢筋网片加固砌体墙片有限元分析，证实钢筋网对抵抗墙体压应力的作用不明显，而对抵抗墙体剪切型破坏效果显著。

(3) 通过对钢筋网片加固砌体墙片有限元分析，竖向压应力达到 0.9 MPa，墙片出现钢筋网片与砌的结果，验证了钢筋网片在竖向荷载达到一定值失去加固效力。

(4) 通过对钢筋网片加固砌体墙片有限元分析，垂直墙片立面方向位移达到4 cm，钢筋网片也会和原砌体脱离，失去加固效力。

参考文献(References)：

1. 张有才.建筑物的检测、鉴定、加固与改造.北京：冶金工业出版社，1997

2. 陶秋旺.多孔砖砌体基本力学性能研究及有限元分析 [硕士学位论文 D]. 湖南大学, 2002.

3. 杜平安, 甘娥忠, 于亚婷. 有限元法-原理、建模及应用[M]（第一版）. 北京: 国防工业出版社. 2004

4. 吕伟荣，施楚贤. 剪压复合作用下普通砖砌体的 ANSYS 分析.上海:同济大学出版社. 2005年全国砌体结构基本理论与工程应用学术会议论文.

__________________________________

收稿日期： ；修回日期：

作者简介：范晓东(1984–)，男，现为工程师，主要从事建筑结构方面的设计和研究工作。E-mail：738911877@qq.com