基于ABAQUS砌体结构水平嵌筋加固动力分析

朱成成 李莉 李海宏

摘要：传统村落建筑是中华传统文化的重要载体，然而对传统砌体结构加固更加注重建筑历史和风貌的保护，本文基于配筋砌体的思想提出水平嵌筋加固方法对砌体结构加固；利用ABAQUS中混凝土损伤塑性模型对太行山区传统砌体结构进行水平嵌筋加固弹塑性动力分析，具体分析主要水平嵌筋间距对砌体结构加固效果的影响。结果表明嵌筋间距越小，结构层间位移较越小，加固效果越好，嵌筋间距在150～300mm较为加固效果较为合理。

Abstract： Traditional village architecture is an important carrier of traditional Chinese culture， however， the preservation of traditional masonry structure is more emphasis on architectural history and features. Based on the idea of reinforced masonry， the method of horizontal reinforcing bars embedded in masonry structure is put forward to reinforce masonry structure. The elastic-plastic dynamic analysis of horizontal reinforcing bars embedded in the traditional masonry structure in Taihang mountain area is carried out based on the plastic model of concrete damage in ABAQUS. The influence of horizontal spacing of reinforcement on masonry structure is analyzed. The smaller the spacing of the reinforcement is， the smaller the displacement Angle between the structural layers is and the better the reinforcement effect is. From the above analysis， it can be seen that the spacing of the embedded bars is more reasonable at 150～300mm.

關键词：砌体结构；嵌筋加固；混凝土损伤模型；时程分析

Key words： masonry structure；horizontal reinforcing bars；concrete damaged plasticity model；time-history analysis

中图分类号：TU364 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）12-0122-03

0 引言

传统村落建筑是承载和体现中华民族传统文明的重要载体，传统村落大多是砌体结构且是自建房屋，没有经过严格的设计和施工等原因，结构存在很大的安全隐患，抗震性能较差。然而对传统村落砌体结构的加固要更加注重建筑风貌的保护，现阶段的加固方案对砌体结构的外观改变较大；振动台试验能够较真实地反映结构抗震性能和加固效果，但振动台试验所需经费较大，常常受试验设备限制，很难全面地去做振动台试验。随着数值模拟技术水平的提高，选取合理的计算模型及参数，便能够较好模拟结构在地震作用下的响应以及加固方案的优良。基于上述等原因本文采用水平嵌筋加固技术对太行山区传统砌体结构加固，采用ABAQUS有限元软件以太行山区典型砌体房屋为研究对象，建立合理的砌体有限元模型，分析砌体结构在地震作下裂缝发展过程以及破坏程度，为后期加固提供依据。

1 ABAQUS参数选取

1.1 ABAQUS混凝土损伤塑性模型 混凝土损伤塑性模型[1][2]采用的是双参数DP破坏准则，假定混凝土材料主要由拉伸开裂与压缩压碎两种破坏形式，对应于由受拉损伤参数与受压损伤参数分别控制混凝土的拉压行为，如图1所示。

该模型通过硬化控制屈服破坏面的演化，表示的是拉伸等效塑性应变，表示压缩等效塑性应变。材料在弹性阶段的采用线弹性模型进行描述，进入到损伤阶段后，材料的弹性模量可以表示为初始无损弹性模量和损伤因子之间d的关系（1），

E=（1-d）E0 （1）

式中，E0为材料的初始弹性模量；d为损伤因子，材料未损伤时，弹性刚度矩阵无退化d=0；材料完全损伤时d=1。对应的“有效”拉伸与“有效”压缩应力决定了破坏面的大小，定义如下：

1.2 砌体应力-应变关系 本文采用杨卫忠[3]在基于细观单元强度分布特征的基础上，确定了损伤的表达式，并简化形式得到砌体模型单轴受压损伤的本构关系表达式如下：

2 传统砌体结构水平嵌筋加固地震时程分析

砌体结构构件是由砌块与砂浆组合而成的复合构件，根据分析目的一般有分离式建模和整体连续建模，由于本文主要研究砌体结构在地震作用下的动力响应，故采用整体连续方式建模。

2.1 有限元模型设计 本文砌体采用三维8节点实体减缩积分单元，钢筋采用T3D2桁架单元，按照实际嵌筋位置以ABAQUS中embed的方式嵌入墙体；不考虑木过梁与墙体的相对滑移，采用tie方式将木过梁与墙体连接；由于屋顶的鞭梢效应，故将屋面荷载以及相应的质量按等效密度的方式施加在檩条上，檩条与山墙采用MPC铰接方式连接。为了简化模型，木材选用用各向同性材料，弹性模型为9702MPa，泊松比为0.15，选用ABAQUS中B31梁单元。根据《砌规》对钢筋使用要求，本文采用HRB300级钢，直径为8的钢筋对砌体进行加固，嵌筋间距分别为100、200、300mm

2.2 地震波选取及其调幅 本文选取经典El-Centro波进行双向动力弹塑分析，根据《抗规》表5.1.2-2的规定及条文说明（双向地震波的峰值比1：0.85），对地震波加速度峰值进行调幅，X方向输入地震波加速度峰值为0.32g，Y方向施加的地震波峰值为0.298g，相当于施加双向7度0.15g罕遇地震下的地震波，由于该地震波记录持时较长且后一段加速度较小，故本文选取前15s，以涵盖地震波的最强部分。

3 動力分析结果

3.1 损伤参数分析 本文选取A轴纵墙横墙，利用受拉损伤参数值对其进行定量分析。由图2，可以看出四个模型的A轴墙的受拉损伤均在2s后产生，但是A轴墙体在2～6s急剧发展，并趋于平稳，且随着嵌筋间距的减小，砌体平均受拉损伤峰值逐渐减小且小于未加固模型。

3.2 层间位移角分析 根据文献[6]的划分，给出未加固模型以及不同嵌筋间距模型的最大层间位移角与各性能水准的对比，由图3可以看出经加固后的模型三和模型四保持完好，可以正常使用，二者基本处于同一等级；模型二介于1/1600水准线上，由中等破坏向轻微破坏过渡；而未加固的模型一则处于1/700水准线上向着严重破坏发展；由此可以说明在钢筋直径相同的情况下，随着嵌筋间距的减小，砌体结构趋于良好运行状态，建议在采用水平嵌筋加固太行山区传统砌体结构时，水平嵌筋间距在150～300mm之间。

4 结论

通过对平均受拉损伤参数分析，在钢筋直径相同的情况下，随着水平嵌筋间距减小，平均受拉损伤参数值逐渐减小，加固效果明显提高。加固后结构的最大层间位移减小，随着嵌筋间距的减小，最大层间位移递减幅度趋于平缓，通过最大层间位移角与文献[6]划分的水准线对比，判断出在嵌筋间距在150～300mm之间结构处于可运行状态。

参考文献：

[1]王蓓蓓，董军.基于损伤塑性模型的砌体墙体非线性有限元分析[J].防灾减灾工程学报，2014，34（02）：216-222.

[2]刘杰.基于ABAQUS整体式模型下砌体结构抗震性能影响因素研究[D].湖南大学，2014.

[3]杨卫忠.砌体受压本构关系模型[J].建筑结构，2008（10）：80-82.

[4]郑妮娜.装配式构造柱约束砌体结构抗震性能研究[D].重庆大学，2010.

[5]张望喜，段连蕊，廖莎，基于ABAQUS的砌体结构动力弹塑性时程分析[J].建筑结构，2016，46（01）：64-70，86.

[6]李佳.基于数值模拟的砌体结构倒塌影响因素分析及抗倒塌措施初探[D].重庆：重庆大学，2013.