体外预应力筋加固砌体结构抗震仿真分析

祝百茹，刘海卿

（辽宁工程技术大学建筑工程学院，辽宁阜新 123000）

体外预应力筋加固砌体结构抗震仿真分析

祝百茹，刘海卿

（辽宁工程技术大学建筑工程学院，辽宁阜新 123000）

为研究体外预应力筋加固砌体结构的抗震效果，运用LS－DYNA软件对加固前后砌体结构在地震作用下的全过程进行仿真模拟。结果表明：体外预应力筋对砌体结构提供的主动约束力可有效限制被加固砌体结构裂缝的发生和开展，同时能有效防止预制板的脱空现象；体外预应力筋加固可有效减小结构水平位移，提高其抗侧移能力，有效增强结构的刚度和强度，提高砌体结构的抗震能力。因此，采用体外预应力筋加固砌体结构具有一定的现实意义。

砌体结构；体外预应力筋；仿真模拟；抗震性能

砌体结构是我国城镇中常见的结构形式，但由于其强度低、自重大、延性差等缺点，在强震作用时会遭受严重的破坏和倒塌，给人们生命和财产带来巨大的损失［1－2］。由于抗震规范的更新，以前的抗震设计不符合最新抗震规范［3］的要求，因此，砌体结构的抗震鉴定与加固是亟需解决的问题。相对于其他加固砌体结构的措施［4］，体外预应力筋加固补强技术具有较高的研究和推广价值，能够推动老旧可用建筑的维修与加固技术的发展。该技术是将张拉预应力筋补加在需加固的受拉区段外面，同时将其锚固在梁（板）的端头处，这样就可以对结构薄弱部分进行补强加固，进而提高结构在地震作用下的受力性能，增加结构塑性变形能力和整体性。与此同时有限元计算理论的发展成熟，为结构加固补强提供了方便的计算工具，已经成为科学研究中除理论研究和科学实验以外的第3种方法［5］。与试验投入相比，数值模拟方法可以大大减少物力和人力；与试验效果相比，数值模拟方法同样可以较直观地呈现结构受力发展的整个过程［6］，为在役工程结构加固设计与施工提供技术保证和理论支撑。

1 仿真模拟方法

砌体结构在地震作用下的破坏仿真模拟是一个从连续体向离散体转变的极其复杂数值过程，要求数值模型既能考虑结构破坏前的各项行为，又能正确反映结构构件破坏后，破损块体与结构碎片之间相互碰撞、接触等行为，因此数值模型的正确选择是整个模拟过程的关键。在有限元法基础上同时考虑接触非线性和单元生死的数值模型，则可以较好模拟砌体结构在地震作用下的整个破坏过程中的受力行为，同时有很多的源代码支持和已经存在的计算程序［7］，具有普遍适用性。本研究采用显式非线性有限元程序分析软件LS－DYNA进行分析，采用非线性生死单元和接触算法，来实现结构破坏过程的仿真模拟。具体实现方法如下［8－11］：

（1）采用接触算法，即把结构各个构件间设定为接触关系，将构件自身内部单元设定为自体接触，实现对砌体结构的破坏、撞击甚至坍塌过程的仿真模拟。

（2）运用LS－DYNA提供的子程序接口，编制能够去除最大应变大于预定限值单元的生死控制子程序，钢筋拉断应变取0．01，墙体拉碎应变和压碎应变取为0．001 3，梁和预制板不考虑单元生死。

2 加固方法与模型建立

2．1 体外预应力筋加固法

详细加固方法如图1所示，具体步骤［12］如下：

（1）在工厂加工预制钢构件，利用植筋螺栓将它们固定于构造柱上，同时使用建筑胶进行二次固定。固定好的预制钢构件为纵向预应力筋和横向预应力筋提供了张拉锚固的固定支撑支座。在锚固横纵预应力筋时需要将二者错开一定的距离，防止二者交叉干扰。

图1 体外预应力筋抗震加固Fig．1 Sketch of reinforcement details by externally prestressed bars

（2）在柱角的相交处纵横向的钢构件上，焊接三角形钢板，为固定竖向预应力筋提供支座。

（3）竖向预应力筋一端锚固在柱顶，另一端预埋在模型的台座内。

2．2 模型建立

以纵墙承重、大开间、有外走廊的6层预制板砌体结构为分析对象，采用空间三维实体建模，对加固前和加固后的砌体结构破坏过程进行模拟。有限元模型如图2所示。层高均为2．8 m，每层设有3个房间，每个房间为7．5 m×6．5 m，外挑走廊1．2 m宽，各个房间靠近走廊侧设有2个门洞和1个窗洞，门洞尺寸为0．9 m×2．3 m，窗洞尺寸为1．75 m× 1．5 m，没有走廊一侧墙上有3个窗洞，大小为1．75 m×1．5 m。外墙厚380 mm，楼板厚100 mm。模型应用Solid65单元进行离散，钢筋应用LINK8单元进行离散。混凝土梁和墙体采用LS－DYNA中的材料Material3，Plastic Kinematic模型。构造柱单元与圈梁的混凝土选取LS－DYNA中的混凝土本构模型，预应力筋、构造柱单元和圈梁中钢筋采用LS－DYNA提供的分离钢筋模型。砌体材料密度设定为1 600 kg／m3，泊松比设定为0．2，弹性模量设定为30 GPa，开裂强度值设定为0．5 MPa，开裂后软化刚度值设定为－2 GPa；混凝土抗压强度设定为25 MPa，预制板采用弹性模型。整个仿真分析计算方法采用动力时程法，仿真模拟时输入的地震波为EL Centro波，该输入波是经过比例放大得到，横向最大地面峰值加速度为2．8 m／s2，纵向为4．1 m／s2，竖向为2．7 m／s2，时长10 s。

图2 砌体结构模型图Fig．2 M asonry structuremodel

3 模拟结果分析

对三维实体模型输入地震波后，得到了基本没有采取任何抗震措施的砌体结构在2．8 m／s2地面加速度作用下从开裂、破坏，直至最终倒塌的全过程，具体情况见图3。

图3 加固前砌体结构破坏过程Fig．3 Destruction of unreinforced masonry structure

由图3可知：3．5 s时，第一层部分墙体损坏，预制板松动掉落，梁损坏并出现塌落（图3（b））。5．5 s时，第一层整体坍塌，第二层因此丧失承载力（图3（c））。6．5 s后，结构彻底垮塌（图3（d））。预制板松动掉落是造成砌体结构整体坍塌的主要原因，由此也可知道，如果不能有效地拉结锚固预制楼板，将难以避免由于楼板掉落而造成的结构破坏和人员伤亡。从图3中也可以了解砌体结构在较大地震时大概要经过以下5个过程：①由于水平结构的晃动，导致损伤累积，使柱底端产生裂纹，构件局部压碎，在自重作用下结构有一个接近垂直坠落的过程；②出现重力二阶效应（简称P-Δ效应），构件绕结点转动，又有倾倒之势；③结构出现分离、解体现象，个别构件开始独立运动；④上部的砌体结构被甩出，其它层的砌体结构未出现大面积的破坏，只是出现了裂纹扩展；⑤随着地震的持续，结构触地堆积，结构彻底解体。这与实际观察到的结构倒塌过程是相吻合的，间接证明了模型建立的正确性。

由图4可知：采用体外预应力筋加固后的砌体结构具有很好的抗震性，没有出现大面积坍塌，保持了较好的完整性。只是在4．5 s时，在外侧横墙位置的梁出现松动并坠落，与梁连接的预制板掉落到第六层楼板上，如图4（b）。在此之后，结构没有出现严重损伤。

图4 加固后砌体结构破坏过程Fig．4 Destruction of reinforced masonry structure

由图3与图4、图5（a）与图5（b）对比分析可知：在强震作用下的砌体结构，门窗角部和梁下部有较严重开裂。门窗角部开裂是角部集中应力所导致，而梁下部开裂是由于水平力作用使梁产生转动的趋势进而造成梁周围墙体出现裂缝。未加固砌体结构的楼板脱空现象明显，发生时间较早，底层是薄弱环节。加固后砌体结构底部预制板一直与圈梁紧密连接，墙体裂缝开展的时间推迟了，裂缝分布变得稀疏，深度减小了，虽在强震作用下，但结构仍然保持较好的整体性。对比结果表明体外预应力筋提供的主动约束力可有效限制被加固砌体结构裂缝的发生和开展，并且有效防止楼板与圈梁脱空，该加固方法能够提高砌体结构的整体抗震能力，实现了强震不倒。

图5 加固前后砌体结构裂缝分布图Fig．5 Distribution of cracks in themasonry structure before and after reinforcement

图6给出了加固前和加固后砌体结构3个不同楼层的水平位移曲线，由图可以看出，在6 s之前，加固后砌体结构的水平位移小于加固前砌体结构的水平位移，表明采用体外预应力筋加固的方法可以有效地控制楼层的侧移，提高了砌体结构抗震能力。还可以看出加固前砌体结构的水平位移呈逐渐减小趋势，最终几乎趋近于零，大约在6 s以后加固后砌体结构的水平位移大于加固前砌体结构的水平位移，因为未经加固的结构底部在接近6 s时已经失效，不再承重，使上部结构开始垂直触地运动，加固后砌体未出现整体坍塌，这与图3和图4结果相吻合，表明体外预应力筋加固砌体结构方法效果良好。

图6 加固前后砌体结构水平位移曲线Fig．6 Curves of lateral displacement of themasonry structure before and after reinforcement

4 结 论

（1）采用体外预应力法加固砌体结构可以提高砌体结构的整体刚度和抗侧移能力，使砌体结构在同等震级的作用下有效减小横向水平位移，从而使加固后砌体结构满足抗震要求。

（2）体外预应力筋对砌体结构提供的主动约束力可有效限制被加固砌体结构裂缝的发生和开展，同时有效防止预制板的脱空现象，提高了砌体结构整体抗震能力。

（3）砌体结构的门窗角部及其周围墙体、梁下是整个结构的薄弱环节，在进行实际加固设计时，应将该部分作为抗震设计的重点，对其施加多向体外预应力。

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（编辑：刘运飞）

Simulation Analysis on Seism ic Performance of Masonry Structure Reinforced with Externally Prestressed Bars

ZHU Bai-ru，LIU Hai-qing
（School of Architectural Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China）

To research the seismic performance of masonry structure reinforced by prestressed bars，the whole processes of earthquake action on both reinforced and unreinforced masonry structureswere simulated by using LSDYNA software．The analysis results show that prestressed bars have obviously limited the development of cracks，and effectively prevented the precast slabs from being disengaged from the wall．Externally prestressed bars can reduce the lateral displacement ofmasonry structure，increase its strength and stiffness，and improve its anti-seismic performance．Therefore，it’s of practical significance to reinforcemasonry structurewith externally prestressed bars．

masonry structure；externally prestressed bar；numerical simulation；anti-seismic performance

TU362；TU352．11

A

1001－5485（2013）11－0086－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．017

2012－09－10；

2012－10－11

辽宁省自然科学基金资助项目（20102091）；辽宁省“百千万人才工程”优秀人才资助项目（2008921034）

祝百茹（1984－），女，辽宁海城人，博士研究生，主要从事工程结构防灾研究，（电话）15841878996（电子信箱）zhubairu6＠126．com。