基于Midas_FEA模型的预制混凝土墙板加固砌体模拟分析.pdf

d o i:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 4-6 0 6 6.2 0 2 3.0 5.0 2 4基于M i d a s/F E A模型的预制混凝土墙板加固砌体模拟分析薛海朋1,李 佳1,李向宇2(1.河北建研科技有限公司,石家庄0 5 0 0 0 0;2.河北新源建筑工程检测有限公司,石家庄0 5 0 0 0 0)摘 要:采用预制钢筋混凝土墙板加固砌体可以有效提高砌体结构抗震性能。采用传统现浇钢筋混凝土面层和预制钢筋混凝土墙板构件对12全缩尺素砌体墙进行单面加固试验。文中主要通过M i d a sF E A非线性有限元软件对素砌体墙、现浇面层加固砌体、预制构件加固砌体进行数值模拟分析,结果表明:两种加固方式加固效果相当;采用预制混凝土构件加固砌体,可以有效提高砌体抗震性能,极限承载力提高6.2 5倍,最大位移降低约1 0倍。关键词:砌体加固;预制构件;现浇面层;非线性数值分析S i m u l a t i o nA n a l y s i so fM a s o n r yS t r e n g t h e n e dw i t hP r e c a s tC o n c r e t eW a l lP a n e l sB a s e do nM i d a s/F E A M o d e lXU EH a i-p e n g1,L IJ i a1,L IX i a n g-y u2(1.H e b e i J i a n y a nT e c h n o l o g yC o,L t d,S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 0 0,C h i n a;2.H e b e iX i n y u a nC o n s t r u c t i o nE n g i n e e r i n gT e s t i n gC o,L t d,S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:S t r e n g t h e n i n gm a s o n r yw i t hp r e f a b r i c a t e d r e i n f o r c e d c o n c r e t ew a l l p a n e l s c a n e f f e c t i v e l y i m p r o v e t h e s e i s m i c p e r-f o r m a n c eo fm a s o n r ys t r u c t u r e s.As i n g l e s i d e r e i n f o r c e m e n t t e s tw a s c o n d u c t e do na1 2f u l l s c a l ep l a i nm a s o n r yw a l l u s i n gt r a d i t i o n a l c a s t-i n-p l a c e r e i n f o r c e dc o n c r e t e s u r f a c e l a y e r a n dp r e f a b r i c a t e d r e i n f o r c e dc o n c r e t ew a l l p a n e l c o m p o n e n t s.T h e a r t i-c l em a i n l yu s e sM i d a sF E An o n l i n e a r f i n i t e e l e m e n t s o f t w a r e t o c o n d u c t n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n a l y s i s o np l a i nm a s o n r yw a l l s,r e i n f o r c e dm a s o n r yw i t hc a s t-i n-p l a c e s u r f a c e l a y e r s,a n dr e i n f o r c e dm a s o n r yw i t hp r e f a b r i c a t e dc o m p o n e n t s.T h er e s e a r c hr e-s u l t ss h o wt h a t t h e r e i n f o r c e m e n t e f f e c t s o f t h e t w o r e i n f o r c e m e n tm e t h o d s a r e e q u i v a l e n t.S t r e n g t h e n i n gm a s o n r yw i t hp r e f a b-r i c a t e dc o n c r e t ec o m p o n e n t sc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v ei t ss e i s m i cp e r f o r m a n c e,i n c r e a s ei t su l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yb y6.2 5t i m e s,a n dr e d u c e i t sm a x i m u md i s p l a c e m e n tb ya b o u t 1 0t i m e s.K e yw o r d s:m a s o n r yr e i n f o r c e m e n t;p r e f a b r i c a t e dc o m p o n e n t;c a s t-i n-p l a c es u r f a c e l a y e r;n o n l i n e a rn u m e r i c a la n a l y s i s收稿日期:2 0 2 3-0 5-0 1.作者简介:薛海朋(1 9 9 0-),工程师.E-m a i l:1 8 5 0 4 1 6 0 6 7q q.c o m砌体结构是指用砖砌体、石砌体或砌块砌体建造的结构1,其中块体与砂浆砌筑而成的墙、柱为建筑物的主要受力构件2。砌体结构是一种传统的结构形式,在人类建筑工程发展史上发挥了极其重要的作用3。砌体结构有众多优点:砌体房屋使用的建筑材料均为地方材料,可根据当地砖、石开采量择优选取、就地取材;砖、石等地方材料一般价格便宜,钢筋、水泥等价格相对较高,与混凝土结构相比可以降低大量成本,同时砌体结构施工方便,工艺简单,不需要特殊机械设备,工人易学易用;砖、石材料具有很好的耐火性、较好的化学稳定性和大气稳定性,具有较好的隔热、隔声性能4。因此,从1 9 4 9年建国以来,我国建造了大量的彻体结构房屋5。至今,我国众多砌体房屋已经超出正常设计使用年限,并且由于当时经济与技术水平落后,砌体房屋均未进行抗震设防设施或是不满足当下抗震设防规范的要求。住房和城乡建设部关于在实施城市更新行动中防止大拆大建问题的通知 中表明,除违法建筑和经专业机构鉴定为危房且无修缮保留价值的建筑外,不大规模、成片集中拆除现状建筑,鼓励对既有建筑保留修缮加固,提高安全性、适用性和节能水平6。89建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期根据 砖混结构加固与修复(1 5 G 6 1 1)7、砌体结构加固设计规范(G B5 0 7 0 82 0 1 1)8等规范,针对砌体的常规加固方法有增设钢筋混凝土面层法、增设圈梁、增设构造柱等。传统的加固方法存在大量的现场湿作业,不仅对环境影响大,而且施工周期长,生产效率低,影响居民的正常使用。自从 国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见9(国办发2 0 1 67 1号)的提出,装配式建筑产业得到飞速发展,到目前为止已经形成一套完整的装配式建筑设计与施工体系。装配式工程有较为突出的优点,如可以将大量湿作业、过程作业转移到工厂中进行,一方面厂家可以通过机械加工控制施工质量,防止不同批次质量产生较大波动,另一方面加工污染物可被限制在加工区域范围内,避免扩散污染,易集中处理1 0。节约建材、降低能源消耗和废水排放量等特点适合国家节能减排、绿色建设的发展策略,也满足经济社会可持续发展的要求。装配式技术的优点有很多,但是我国对于将装配式技术应用于加固砌体的研究还比较少,如何使预制构件与砌体很好的协同工作等的研究以及工程应用的推广均处于初始阶段。采用传统现浇面层加固法和预制构件加固法对素砌体墙进行加固处理,通过M i d a sF E A非线性有限元软件对素砌体墙、现浇面层加固砌体、预制构件加固砌体进行数值模拟分析,对比模拟结果,研究预制混凝土墙板加固后砌体的抗震性能,分析其在砌体材料上应用的可行性。1 加固介绍1.1 素砌体墙模型砌体房屋结构中,主要受力构件为墙体。为满足用户日常使用要求,一般纵墙会开设多个门窗洞口;由于纵墙开设的洞口较多,不利于承受荷载,砌体结构中大多为横墙承重;砌体房屋一般开间不大进深较大,从而横墙布置较多。总之,由于横墙结构单一、数量较多且为主要的受力构件,因此从某一项目中选择一片合适的横墙作为研究对象,进行数值模拟分析。经过相似比例准则推导,原型和缩尺模型的材料一致的情况下,两者测量的应力也相同1 1。数值模型中砌体墙缩尺模型如图1所示。砌体墙厚1 2 0mm、长14 0 0mm、高12 0 0mm,砖强度为MU 1 0,砂浆强度为M 1(其中,底部与地梁连接处和顶部三层砖砂浆强度提高为M 1 0),素砌体墙命名为TW-1。1.2 加固方式对素砌体墙进行加固处理,加固方法为预制混凝土构件加固与现浇面层加固,并分别命名为R TW-1和R TW-2。R TW-1预制混凝土板厚4 0mm,采用C 5 0强度灌浆料浇筑成型。预制构件顶部甩出8 0mm弯钩,侧边甩出1 5 0mm弯钩,分别与顶部水平钢筋、中部竖直钢筋绑扎。R TW-1预制混凝土构件底部中央均预留(2 0 02 6 0)3 0 0mm的梯形孔洞,后期浇筑形成抗剪后浇带。抗剪后浇带是由地梁中预埋U型钢筋与预制构件中的等代钢筋焊接后浇筑而成,提高预制构件与地梁的连接作用,替代常用的水平后浇带连接做法,减少现场湿作业工程量,便于预制构件就位安装。R TW-1具体加固示意图如图2(a)所示。R TW-2加固面层厚度为5 0mm,也采用C 5 0强度灌浆料浇筑成型,R TW-2加固示意图如图2(b)所示。99建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期2 数值模拟分析2.1 有限元模型的建立M i d a sF E A提供多种几何模型的建立方式,建模方式更接近于工程项目设计软件,也更加直观和简单1 2。F E A具有很好的兼容性,可以直接导入其他软件中已经建好的三维实体模型1 3。选用直接建模方法建立三维实体模型,M i d a sF E A有限元模型中素墙、预制构件、现浇面层均采用3 D箱形实体单元建立;抗剪后浇带采用3 D锲形实体单元建立,并与3 D箱形单元做差集布尔运算形成图3所示的几何外形;钢筋采用几何菜单栏“顶点与曲线”中的直线工具建立;钢筋网片通过直线工具的复制平移建立。素墙3 D箱形几何单元采用砌体本构模型;预制构件、现浇面层3 D箱形几何单元采用混凝土损伤本构模型,后浇带3 D锲形单元同样采用混凝土损伤本构模型;钢筋网片直线属性选用1 D植入式桁架(本构模型为线弹性),截面面积为2 8.2 7mm2。2.2 数值模拟结果使用M i d a sF E A软件建立三个模型,分别为单一素墙有限元分析模型、现浇面层加固素墙模型、预制构件加固素墙模型,模型示意图如图4图6所示。三个模型中素墙、地梁几何尺寸与网格划分等均相同,仅对地梁底部进行固定连接约束,素墙采用同一砌体材料与砌体本构,在相同大小竖向压力下进行模拟分析。对同样素墙采用现浇面层加固法和装配式加固法进行加固,并用软件进行有限元模拟。2.2.1 位移结果云图经过M i d a sF E A有限元软件的计算得到三个模型素墙最大位移结果云图,如图7图9所示。由图7可知:1)素墙TW-1最大位移为1 2.1 5mm,发生在水平荷载作用点(墙体左上位置)处。墙体顶部右侧(墙体右上位置)处,位移为7.4 4mm;2)从宏观角度分析,TW-1位移从上到下逐层减小,墙体变形为001建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期逐层平移趋势。由图8可知:1)现浇面层加固R TW-2墙体中最大位移为0.8 0 1mm,发生在水平荷载作用点(墙体左上位置)处。墙体顶部右侧(墙体右上位置)处,位移为0.1 6 4mm;2)R TW-2墙体中现浇面层最大位移为0.7mm,也发生在墙体左上角处。面层右上角处位移为0.1 6mm;3)对比图8(a)、图8(b),并从宏观角度分析,素墙和现浇面层的变形基本都集中在右上角部位,不再像单一素墙那样逐层平移。出现这一现象的原因是,现浇面层的加入约束了素墙的变形,提高了其整体的刚度,使得受荷载附近有较大变形,远离端基本不受影响。由图9可知:1)预制构件加固法R TW-1素墙最大位移为1.1 0 77mm,发生在水平荷载作用点(墙体左上位置)处。墙体顶部右侧(墙体右上位置)处,位移为0.1 8mm;2)R TW-1墙体中预制面层最大位移为0.8 8mm,也发生在墙体左上角处。面层右上角处位移为0.1 7 9mm;3)对比图9中各图,可以得到和图8相同的结论。综上所述:1)TW-1素墙位移最大,为1 2mm,R TW-1、R TW-2位移相近也很小,约为1mm左右;2)从宏观角度看,TW-1素墙变形趋势为逐层减小,R TW-1、R TW-2变形基本集中在右上角部位。2.2.2 应变结果云图经过M i d a sF E A有限元软件分析计算得到三个墙体极限荷载下的应变结果云图,如图1 0图1 2所示。由图1 0可知:1)素墙TW-1最大应变为0.0 0 95,发生在水平荷载作用点(墙体左上位置)处;2)素墙中存在两处应变较大区域,分别位于墙体的左上角和右下角,左上角区域最大应变为0.0 0 95,也是整片墙体最大应变位置,右下角区域最大应变为0.0 0 73;3)如图1 0(b),两区域最大应变连接线附近应变均较大,并以虚线为分界线,向两侧减小,砌体墙应变趋势为斜向贯通。由图1 1可知:1)现浇面层加固R TW-2墙体中最101建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期大应变为0.0 0 10 7,发生在素墙顶部位置处;2)现浇加固法R TW-2中素墙应变较大区域位于墙体顶部;3)如图1 1(a)所示,R TW-2砌体墙应变大都分布在虚线上方的三角形区域。砌体应变趋势不再是斜向贯通,并向两侧减小,而是集中在斜三角区域,这是因为竖向荷载对砌体的应变起主导作用,一小部分水平荷载参与其中,最终应变趋势由逐层减小发展成左侧区域大右侧区域小的斜三角形状逐层减小的趋势;4)从图1 1(b)可以看出,现浇加固法R TW-2中现浇面层最大应变为0.0 0 04 2,应变存在两个较大区域,分别位于面层左上角和右下角区域,最大应变分别为0.0 0 04 2和0.0 0 01 2;5)R TW-2现浇面层应变变化趋势为由左上角区域向右下角区域斜向过渡,然后向两侧递减。与单一素墙应变变化趋势对比,发现应变变化趋势均是斜向贯通变化后向两侧递减。出现这一现象的原因是,水平荷载起主导作用,几乎全部由现浇面层承担,面层受剪使得面层沿斜向4 5 方向出现最大变形。由图1 2可知:1)装配式加固法R TW-1墙体中最大应变为0.0 0 13,发生在砌体墙顶部位置(水平荷载与竖向荷载相交)处;2)装配式加固法R TW-1砌体墙应变较大区域位于墙体顶部;3)由图1 2(a)可以发现,R TW-1砌体墙应变大部分都分布在虚线上方的三角形区域,与现浇面层法中砌体应变趋势相似,形成原因类似;4)从图1 2(b)可以看出,装配式加固法R TW-1中预制构件最大应变为0.0 0 05 4,应变也存在两个较大区域,分别位于预制构件左上角和右下角区域,最大应变分别为0.0 0 05 4和0.0 0 01;5)R TW-1预制面层应变变化趋势与现浇面层加固法相似,可达到和现浇法相似的加固效果。综上所述:TW-1素墙应变最大,为0.0 0 95,R TW-1、R TW-2最大应变相近也很小,约为0.0 0 11左右,加固后最大应变降低约9倍。2.2.3 应力结果云图经过M i d a sF E A软件的计算得到三个模型素墙最大实体应力结果云图,如图1 3图1 5所示。由图1 3可知:1)素墙TW-1最大应力为0.5 4 6N/mm2,发生在水平荷载作用点(墙体左上角位置)处;2)除去水平荷载附近处应力较大节点外,右下角区域节点应力最大,左上角区域节点应力较大是由于水平外力施加引起的,右下角区域节点应力较大,是砌体墙受力后反应,此区域是该模拟主要关注的区域,其最大应力为0.4 1N/mm2;3)如图1 3(b)所示,砌体墙在外力作用点斜4 5 方向区域应力较大(虚线处),并以虚线为分界线,向两侧减小。由图1 4可知:1)现浇面层加固R TW-2墙体中最大应力为1 8.0 6N/mm2,发生在现浇面层水平荷载作用点(墙体左上角位置)处;2)现浇加固法R TW-2砌体墙应力最大为0.0 6 18N/mm2,发生在砌体墙顶部;3)如图1 4(a)所示,R TW-2砌体墙应力大都分布在虚线上方的三角形区域。砌体应力趋势201建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期不再是斜向4 5 区域最大,并向两侧减小,而是集中在顶部斜三角区域,砌体顶部三角形区域的应力应该主要是竖向荷载引起,水平荷载基本不参与工作,最终应力基本集中在墙体顶部并逐层减小;4)从图1 4(b)可以看出,现浇加固法R TW-2中现浇面层最大应力为1 8.0 6N/mm2,右上角最大应力是由水平外力荷载引起的,除去此区域的节点,左下角和右下角区域节点应力较大,是现浇面层受力后的反应,此区域是该模拟主要关注的区域,其最大应力分别为1 0.3 1N/mm2和6.2 9N/mm2,反映出现浇面层加固法最先破坏的部位应在左下角和右下角附近。由图1 5可知:1)预制构件加固法R TW-1墙体中最大应力为2 3.1 9N/mm2,也发生在现浇面层水平荷载作用点(墙体左上角位置)处;2)预制构件加固法R TW-1砌体墙 应力最大为0.0 7 52N/mm2,发生在砌体墙顶部;3)如图1 5(a)所示,R TW-2砌体墙应力也大都分布在虚线上方的三角形区域。砌体应力分布趋势与现浇面层加固法结果相似;4)从图1 5(b)可以看出,预制构件加固法R TW-1中预制构件最大应力为2 3.1 9N/mm2,应力分布形式与R TW-2相似,因此该模拟主要关注的区域不变,其最大应力分别为9.8 7 9N/mm2和7.2 7N/mm2。综上所述:1)TW-1素墙应力最大为0.5 4 6N/mm2,R TW-1、R TW-2应力分布形式相近,均分布在左下角和 右 下 角 区 域,大 约 为1 0 N/mm2和7 N/mm2左 右;2)R TW-2墙 体 中 砌 体 墙 最 大 应 力 为0.0 6 18N/mm2,现浇面层最大应力为1 0.3 1N/mm2,在墙体受力过程中受力分配比例是11 6 6,外力基本由现 浇 面 层 承 受;3)R TW-1墙 体 中 砌 体 墙 最 大 应 力 为0.0 7 5 2 N/mm2,预 制 构 件 最 大 应 力 为9.8 7 9N/mm2,在墙体受力过程中受力分配比例是11 3 1,外力基本也是由预制构件承受,抗震效果与现浇面层加固法相当。301建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期2.2.4 抗震性能指标根据有限元分析,分别从结构的承载力和墙体应变等方面分析比较各个试件的抗震性能。从表1中可以可看出:1)现浇加固法与预制构件加固法峰值荷载为1 0 0k N左右,峰值承载力基本相同,相对于未加固素墙承载力提高约6.2 5倍;2)TW-1峰值位移为1 2.1 5mm,R TW-1、R TW-2峰值位移分别为1.1 1mm和0.8mm(相差不大,均在同一量级),与TW-1相比降低9 0.8 6%和9 6.4 1%;3)TW-1平均刚度为1.3 2k N/mm,R TW-1、R TW-2平均刚度分别为9 0.3 3k N/mm和1 2 5k N/mm,与TW-1相比抗侧向刚度分别提高了6 8.4、9 4.7倍。综上所述:R TW-1、R TW-2抗震性能基本相同。与未加固素墙TW-1相比,加固后墙体刚度有明显提高,有利于素墙抗震承载力的提升。表1 试件峰值力、位移、平均刚度试件编号峰值力/k N峰值位移/mm平均刚度/(k Nmm-1)TW-11 61 2.1 51.3 2R TW-11 0 01.1 0 79 0.3 3R TW-21 0 00.81 2 5 注:峰值点割线的斜率近似表示为平均刚度。3 结 论采用有限元软件M i d a sF E A对全缩尺素墙、预制混凝土墙板加固全缩尺素墙、现浇混凝土面层加固全缩尺素墙进行数值模拟分析,分析三种加固方式下的三片砌体墙抗震性能,得到如下结论:a.TW-1素墙最大位移为1 2mm,R TW-1、R TW-2最大位移为1mm左右(总位移相近),与素墙TW-1相比降低约1 0倍;R TW-1、R TW-2总位移变形趋势相似,不再是逐层变化;从总位移结果中可以看出:R TW-1、R TW-2加固后的墙体位移变化相近,加固面层对砌体墙起到很好的约束作用,使得墙体刚度得到提升,进而减少墙体的总位移,抗震性能显著提高。b.TW-1素墙应变最大为0.0 0 95,R TW-1、R TW-2最大应变相近也很小,约为0.0 0 11左右,加固后最大应变降低约9倍,并且R TW-1应变变化趋势与现浇面层加固法相似,可达到和现浇法相似的加固效果。c.R TW-1墙体中砌体墙最大应力为0.0 7 52N/mm2,预制构件最大应力为9.8 7 9N/mm2,在墙体受力过程中受力分配比例是11 3 1;R TW-2中砌体墙最大应力为0.0 6 18N/mm2,现浇面层最大应力为1 0.3 1N/mm2,受力分配比例是11 6 6。从应力结果中可以看出:加固后墙体外力基本由加固面层承受,且两种加固方式加固抗震效果相当。d.现浇加固法与预制构件加固法峰值荷载为1 0 0k N左右,峰值承载力基本相同,相对于未加固素墙承载力提高约6.2 5倍,R TW-1、R TW-2抗震性能基本相同。与未加固素墙TW-1相比,加固后墙体刚度有明显提高,有利于素墙抗震承载力的提升。参考文献1 施楚贤.砌体结构理论与设计M.2版.北京:中国建筑工业出版社,2 0 0 3.2 G B5 0 0 0 32 0 1 1,砌体结构设计规范S.北京:中国建筑工业出版社,2 0 1 1.3 苗启松.既有砌体住宅装配化外套加固技术与方法J.城市与减灾,2 0 1 9(5):2 5-2 9.4 岱 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