聚合物砂浆面层加固砖墙的有限元模拟与分析

刘玉璠， 赵 均， 丁志娟， 刘 扬， 涂 军

(1.北京工业大学 a.建筑工程学院;b.城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124;2.北京市建筑设计研究院，北京 100045)

目前，我国各类建筑工程结构面临着紧迫的抗震加固任务。其中，传统的砖砌体结构抗震性能差，且量大面广，其加固工作成为该领域的一大重点，新材料、新工艺不断涌现［1～4］。对砖砌体墙，采用以VAE型聚合物可再分散胶粉作为添加剂的聚合物砂浆和砂浆喷射工艺进行加固，在墙体表面形成内设钢筋网的聚合物砂浆面层，是砌体结构抗震加固的一种新方法。经试验研究表明，该方法可以明显提高砖砌体墙的抗震性能，且便于施工，与现有的其他方法相比，有许多优势。

另一方面，采用此方法加固砖砌体的效果，受多方面因素的影响，为进一步深化对它的认识，使之合理使用，有必要在继续试验研究的同时，采用有限元方法进行分析研究。

为此，本文在已有试验的基础上，应用ABAQUS软件建立有限元模型，通过分析模拟，研究不同因素影响下采用喷射聚合物砂浆面层加固后砖砌体墙的性能及加固效果，以供实际工程参考，并进而完善抗震加固设计方法。

1 墙体试件的有限元模拟

1.1 试验研究基础

本文以笔者采用喷射聚合物砂浆面层加固砖墙的大比例拟静力试验研究为基础，对其中未加固砖砌体墙试件W-1和加固墙体试件W-2进行有限元模拟。试件参考中小学校舍的实际尺寸，墙体部分的长度及高度采用比例为1∶2缩尺尺寸:长2880 mm，高1680 mm;墙厚为足尺尺寸:砖墙厚240 mm，试件W-2加固面层为厚度40mm的单面加固。加固面层内设钢筋网，由φ6@200水平钢筋和φ10@200竖向钢筋构成。两试件在竖向压应力基本相同的条件下，顶部施加水平低周反复荷载，直至破坏。试验条件见文献［5］。试件的材料强度及竖向荷载控制值，见表1。

表1 试件的材料强度及竖向荷载控制值

1.2 有限元分析模型

以上述试件为基础，本文运用有限元软件ABAQUS建立非线性有限元模型。模型中涉及砖、砌筑砂浆、钢筋、聚合物砂浆四种不同材料，较为复杂。本文采用将砖和砂浆视为一种均匀连续材料的整体式模型［6］，在定义材料属性时综合考虑砖和砂浆的作用，来研究墙体在水平荷载作用下的宏观反应。墙体(包括加固面层和砖墙体)和加载梁均采用实体单元C3D8R，钢筋采用桁架单元T3D3。使用Tie功能将加载梁和墙体、加固面层和砖墙体绑定，使用Embedded Element功能将钢筋网嵌入加固面层［7］。有限元模型见图1。

图1 在ABAQUS中建立的有限元模型

砌体本构关系选用［8，9］:面层砂浆本构关系选用［10］:

材料的主要输入数据见表2。

表2 材料主要参数

2 有限元模型的试验验证

为验证上述有限元模型的正确性，首先将由分析得到的应变分布与试验现象进行对比。图2中的图a和b给出了加载最后时刻的等效塑性应变PEEQ和试验破坏现象的比较。其中等效塑性应变图中红色区域为应变较大部位，说明该部位墙体裂缝宽度较大、数量较多。在加载初期，墙体左侧靠下的位置先出现较大的塑性应变值，与试验墙体左下角最先开裂一致。随着荷载的增大、位移的增加，墙体左下角的塑性应变区域逐渐斜向上扩展，形成贯穿墙体左下角-右上角的塑性应变条带，与真实加载时墙体左下角-右上角方向形成的主斜裂缝一致。

其次，比较有限元模拟计算的荷载-位移曲线和试验实测滞回曲线的骨架曲线，见图3、图4及表3、表4的数据。

表3 W-1模拟与计算结果数值比较

图2 W-2等效塑性应变云纹图与试验裂缝的对比

图3 W-1骨架曲线对比

图4 W-2骨架曲线对比

表4 W-2模拟与计算结果数值比较

上述两方面的对比表明:(1)计算模型在加载过程中的破坏特征与试验吻合较好;(2)计算所得的荷载-位移曲线与试验骨架曲线基本吻合。可以认为，用有限元软件ABAQUS建模分析的墙体与试验墙体在加载过程、破坏形态及承载力等方面吻合良好。因此，该模型是一个较准确且有效的计算模型，可用于模拟分析研究聚合物砂浆面层加固砖砌体墙的性能。

需要说明的是，由于试件W-1的砖及砌筑砂浆强度低于试件W-2，故对其采用上述模型，按与后者相同的砖及砌筑砂浆强度进行了数值模拟，得到未加固墙体的极限荷载及极限荷载所对应位移分别为Fu0=468.0 kN和Δu0=7.16 mm，以此作为比对基准。

3 砖砌体墙加固的若干影响因素分析

3.1 加固面层厚度

在原有W-2模型基础上，对采用单面加固、加固面层厚度为30 mm、40 mm、50 mm、60 mm四种方案进行有限元模拟，模拟分析结果见图5和表5。

图5 不同加固厚度时的曲线

表5 不同加固厚度时极限荷载和位移的对比

通过表中数据可知，采用单面加固面层厚度为30 mm、40 mm、50 mm、60 mm的墙体极限荷载分别比未加固墙体提高了 12%、25%、34%、42%;极限荷载所对应的位移分别为未加固墙体的 2.21、2.71、2.77、3.01 倍。表明，加固面层厚度越大，墙体承载力越高、达到承载力时的位移越大，尤其当加固层较薄时，随面层厚度的增大，提高幅度大，而后有所减缓。

3.2 聚合物砂浆强度

在原有W-2模型基础上改变面层聚合物砂浆的强度，对采用聚合物砂浆抗压强度分别为20MPa、25MPa、30MPa的三种方案进行有限元模拟，结果见图6、表6。

图6 不同聚合物砂浆强度时的荷载-位移曲线

表6 不同聚合物砂浆强度时极限荷载和位移的对比

由表中数据可知，三种情况下墙体极限荷载比未加固墙体的极限荷载分别提高了5%、14%、25%，极限荷载所对应的位移分别为未加固墙体的1.83、2.18、2.73倍。表明，聚合物砂浆的强度变化对墙体承载力和变形性能的提高都有很大影响。特别是当聚合物砂浆强度较低时，虽墙体的变形性能亦可明显改善，但承载力的提高幅度较小。因此，宜尽量采用强度较高的聚合物砂浆加固面层。这里需要指出，由于加固墙体的性能提高效果与原未加固墙体的材料性能直接有关(受研究条件所限，本文的未加固墙体材料强度较高)，因此，聚合物砂浆强度与原未加固墙体材料强度间的合理搭配关系有待进一步研究。

4 结论

(1)为研究采用喷射聚合物砂浆面层加固砖砌体墙的性能，本文运用ABAQUS分析软件对墙体进行有限元模拟，涉及砖、砌筑砂浆、钢筋、聚合物砂浆四种不同材料。经与大比例试件的试验结果在加载过程、破坏形态及承载力等方面对比验证，表明该计算模型较为准确，可用于非线性分析。

(2)采用上述计算模型，通过非线性分析，研究加固面层厚度、聚合物砂浆强度这两个因素对墙体加固性能的影响，表明:当加固层较薄时，面层厚度的增大，使墙体承载力和变形能力的提高幅度大，而加固层较厚时则提高有所减缓;聚合物砂浆的强度变化对墙体承载力和变形性能的提高都有很大影响。当聚合物砂浆强度较低时，承载力的提高幅度较小。因此，宜尽量采用相对于原有墙体强度较高的聚合物砂浆进行加固，以取得更好的效果。

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