玄武岩纤维布加固框架结构抗震性能数值分析

张潆心，杨德健，张晓雪

(天津城建大学 土木工程学院，天津 300384)

土木工程

玄武岩纤维布加固框架结构抗震性能数值分析

张潆心，杨德健，张晓雪

(天津城建大学 土木工程学院，天津 300384)

利用玄武岩纤维布对九层框架的梁柱节点进行了加固，运用ANSYS有限元分析软件对不同加固方案下结构的整体抗震性能进行了动力分析．分析结果表明，在玄武岩纤维布用料相同的条件下，局部加固框架的角柱节点比边柱节点更有助于提高框架结构的抗震能力，且在地震作用下，采取整体加固的方案更有助于提高框架结构的安全性．

框架结构；抗震性能；玄武岩纤维布加固；数值分析

近年来，我国各地震区内钢筋混凝土框架房屋较多，在设计房屋时采取了一些构造措施来增加结构的延性[1]，但是从汶川地震的震害调查结果来看，大部分框架结构均发生了梁柱节点的破坏，其中柱端破坏较多，即实际工程中的框架结构未能实现抗震设计中最重要的“强柱弱梁”原则[2]．因此，提高既有建筑的抗震性能具有十分重要的意义．

目前，常用的纤维材料中，玻璃纤维耐久性差且弹性模量低，芳纶纤维价格高且弹性模量低，碳纤维材料应用较为广泛[3-4]，但是其价格较贵．相比之下，玄武岩纤维材料具有许多独特的优点：力学性能和耐久性优良；原材料多且价格低廉，仅为碳纤维的1/8～1/5左右；适用于不同环境下的加固；延性好、抗拉强度高等[5]．因此，笔者选择玄武岩纤维材料进行分析研究，建立九层的钢筋混凝土框架模型，对比分析不同加固方案下框架节点应力状态以及水平位移曲线，从而得到最为有效的加固方案．

1 框架结构数值模型

参照文献[3]，取九层钢筋混凝土框架结构作为研究对象．首层层高为6,m，二层至九层层高均为3,m．框架结构的平面布置如图1所示．梁、柱均采用强度等级为C30的混凝土，柱截面为0.6,m×0.6,m，梁截面为0.3,m×0.6,m．

本研究选取实体单元对结构进行整体建模，框架结构整体模型中，混凝土单元选用Solid65单元[6]；钢筋采用在混凝土实体单元Solid65中添加配筋率的处理方式，将钢筋按各方向体积比分布在混凝土单元中；纤维布用Shell41单元来模拟[7]．框架结构的整体数值模型如图2所示，模型中所定义的各材料参数见表1．

图1 框架结构平面布置

图2 框架结构整体模型

表1 模型材料参数

在对结构数值模型进行网格划分时，参照建筑实际尺寸建立的模型过于庞大，为了提高计算速率，根据加固方案的不同，对纤维布加固区域进行了尺寸较小、单元网格较密的划分，对未加固部位采用较大的网格进行划分．

2 玄武岩纤维布加固方案

为了比较不同加固方案对结构整体抗震性能的影响[8-9]，分别设计了玄武岩纤维布局部加固框架结构角柱节点和边柱节点的方案，同时与整体加固全部梁柱节点的方案(既加固边柱又加固角柱)进行对比．由于在四榀框架结构中，边柱和角柱的数量都为4根，具有可比性，而中柱仅有1根，在数量上与前两种类型柱不等，不具有可比性．因此，加固方案中没有考虑单独加固中柱的方案，具体的加固方案见表2．

表2 玄武岩纤维加固方案

3 框架结构动力分析

3.1 地震波的选择

地震波的选用要综合考虑各方面的因素，主要包括地震动强度、地震波的频谱特性以及地震波持续时间．本研究的地震响应分析选用宁河—天津地震波，该地震波间隔0.01,s取值，总时长为5,s．分析时从所有的地震加速度取值中每0.1,s取一个值作为加速度文本文件中的数据，5,s时长一共取值50个．其中地震加速度峰值为1.22m/s，相当于0.12,g，对应地震裂度为7度的地震作用．

3.2 框架结构动力特性

首先研究未加固的框架结构(方案IV)在地震作用下的反应情况．在框架结构各层的地震作用反应中，顶层由于约束较少，反应最强烈．因此，取九层框架顶部的节点进行分析，绘出在地震波作用下的框架顶层各方向位移时程曲线，如图3所示．

由图3可以看出，结构在地震作用下，框架结构顶层东西向最大位移为2.163,cm，南北向最大位移为3.46,cm，竖向位移最大值为0.17,cm．其中南北向位移最大，对结构的安全起控制作用．因此，研究分析时以减小框架结构顶层南北向的位移为目标进行分析．

图3 框架顶层各方向位移时程曲线

为了更清楚的显示框架结构各部位在地震作用下的应力大小，给出框架的第三主应力云图及框架梁柱节点的第三主应力云详图，如图4-5所示．可知梁柱节点处所承受的应力最大，由核心区域所形成的“斜压杆”承担．在地震中节点的破坏导致整个框架丧失承载能力，因此，加固梁柱节点能有效地提高框架的抗震能力．

图4 框架第三主应力云图

图5 框架梁柱节点第三主应力云详图

3.3 边柱与角柱节点加固效果对比

为了比较在地震作用下框架结构局部加固边柱节点与角柱节点的差异，设计了在加固材料同为玄武岩纤维、加固层数同为四层的情况下，局部加固角柱节点和边柱节点这两种加固方案，得到不同方案下框架结构的第三主应力云图，如图6、图7所示．

图6 加固角柱后框架第三主应力云图

图7 加固边柱后框架第三主应力云图

由图6和图7可以看出，与未加固框架相比，用玄武岩纤维布分别加固框架结构边柱和角柱节点后，塑性铰的数目明显减少，从而降低了框架结构在地震作用中梁柱节点处发生塑性铰破坏的可能性．表3列出了各加固方案下框架底层柱的应力值，比较方案I和方案II可知：框架结构节点处应力均有所减小，仅加固角柱时最大应力降低了4.2%，仅加固边柱时最大应力降低了3%．说明相比于仅加固边柱节点的框架，仅加固角柱节点的框架应力减小明显．

图8 框架各层最大水平位移曲线

表3 各加固方案下底层柱的应力值 kPa

与未加固框架相比，由于加固后塑性铰的出现的位置减少，增强了结构的抗侧移刚度，从而在水平地震作用下，框架的最大位移和各层间位移都有所减小．因此，由图8框架各层最大水平位移曲线可以看出，框架结构在未加固的情况下顶层最大位移值为3.46,cm，仅加固角柱节点后的顶层最大位移为3.18,cm，与未加固相比减小了8.60%；仅加固边柱节点后顶层最大位移为3.23,cm，与未加固相比减小了6.2%．由此表明：在玄武岩纤维布用料相同的条件下，仅加固角柱节点比仅加固边柱节点更有助于提高框架结构的抗震能力．从另一个角度分析，角柱节点在地震中将先于边柱节点破坏，而柱体的破坏将会造成结构的整体破坏．因此，应当首先选择对框架的角柱节点进行重点加固．

3.4 局部加固与整体加固效果对比

为了研究在加固材料及用量相同的情况下，整体加固效果与局部加固效果的差异，图9给出了加固框架结构全部梁柱节点的第三主应力云图．

图9 方案IV的框架第三主应力云图

将图9与前三个方案的框架第三主应力云图进行比较，可以看出加固全部梁柱节点使框架结构在受力上更加均匀，塑性铰出现位置明显减少．由表3可以得出，整体加固的方案应力降低6.6%，与局部加固方式相比应力减小明显．对比图8中整体与局部加固方案下框架各层的最大水平位移曲线，从中可以看出用2层纤维布加固框架结构所有梁柱节点的顶层最大位移为3.08,cm，而用4层纤维布局部加固角柱节点及边柱节点的最大位移分别为3.18,cm及3.23,cm．由此看出，用2层纤维布既加固边柱节点又加固角柱节点的方案，与用4层纤维布单独加固角柱节点或边柱节点的方案在玄武岩纤维布用量上是相同的．因此，根据以上的分析可以看出，在条件允许的情况下，整体加固的框架抗震能力明显优于局部加固的框架．

4 结 论

本文利用ANSYS软件对玄武岩纤维加固的框架结构进行地震作用下的时程分析．在分析时先建立有限元模型，进行正确的网格划分，得到结构的基本动力特性，对比了不同加固方案对结构整体抗震性能的影响，得出以下结论．

(1)与未加固的框架相比，加固后结构出现塑性铰的位置明显减少，整体结构的抗侧移刚度有了一定的提高，从而减小了框架结构各层的最大水平位移，结构的抗震性能增强．

(2)在玄武岩纤维布用料相同的条件下，加固框架的角柱节点与加固边柱节点相比，出现塑性铰的几率低、结构整体的抗侧移刚度提高明显、框架各层的水平位移减小显著．因此，仅加固角柱比仅加固边柱更有助于提高框架结构的抗震能力，应当首先选择对角柱节点进行重点加固．

(3)如果条件允许，在玄武岩纤维布用量一定的情况下，整体加固梁柱节点的方案更有利于提高框架结构的抗震性能．

［1］ 潘 毅，季晨龙，王 超. 日本地震中钢筋混凝土框架结构震害及分析[J]. 工程抗震与加固改造，2012，34(4)：122-133．

［2］ 余江滔，陆洲导. 震损钢筋混凝土框架节点修复后抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报，2010，31(12)：64-73．

［3］ 郑七振，王 东，唐 玉，等. 碳纤维布加固混凝土框架抗震性能试验研究[J]. 建筑材料学报，2011，14(5)：591-596．

［4］ SANT H R，CHANDRASEKARAN E，DHANARA J R. Analysis of retrofitted reinforced concrete shear beams using carbon fiber composites[J]. Electronic Journal of Structural Engineering，2004(4)：66-74．

［5］ 齐建林，朱 江. 玄武岩纤维在混凝土中的应用与研究进展[J]. 混凝土，2011(7)：46-49．

［6］ 赵志平，常建立，杨晓光. 利用ANSYS对碳纤维布加固RC梁的非线性有限元分析[J]. 四川建筑科学研究，2006，32(1)：79-83．

［7］ 冼巧玲，江传良，周福霖. 混凝土框架节点碳纤维布抗震加固的试验与分析[J]. 地震工程与工程振动，2007，27(2)：104-111．

［8］ 王作虎，杜修力，邓宗才. 不同加固方式对混凝土梁柱节点抗震性能的影响[J]. 震灾防御技术，2010，5(1)：1-8．

［9］ 苏 磊，陆洲导，张克纯. BFRP加固震损混凝土框架节点抗震性能试验研究[J]. 东南大学学报：自然科学版，2010，40(3)：559-564．

（编辑校对：张兰娜）

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

张潆心（1990—），女，天津人，天津城建大学硕士生.