CFRP加固框架填充墻結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

1、CFRP加固框架填充墻結(jié)構(gòu)的抗震性能分析摘要：本文利用大型有限元軟件ANSYS分別建立了CFRP加固單跨五層框架填充墻結(jié)構(gòu)的有限元模型，通過(guò)改變加固方式分析了CFRP加固框架填充墻結(jié)構(gòu)的抗震性能。關(guān)鍵詞：CFRP;框架填充墻；有限元分析1 .前言利用碳纖維（CFRP）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固已經(jīng)在實(shí)際工程中得到廣泛的應(yīng)用，這種方式加固不僅可以改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，而且具有不增加結(jié)構(gòu)自重不改變結(jié)構(gòu)截面尺寸的優(yōu)點(diǎn)。本文以單跨五層框架填充墻結(jié)構(gòu)為例（如圖1所示，框架柱尺寸為400mmx400mm,框架梁尺寸為250mmx400mm,填充墻厚度為120mm）。分別建立了把填充墻當(dāng)作荷載輸入的純框架結(jié)構(gòu)、未加固框架

2、填充墻結(jié)構(gòu)、首層加固的框架填充強(qiáng)模型、一二樓層加固的框架填充墻結(jié)構(gòu)模型、一三五樓層加固的框架填充墻結(jié)構(gòu)模型和全樓加固的框架填充墻模型共計(jì)六個(gè)有限元模型，并對(duì)這些模型進(jìn)行了抗震性能分析。圖1框架填充墻結(jié)構(gòu)和全樓加固示意圖2 抗震性能分析2.1 單元的選擇對(duì)框架結(jié)構(gòu)中的梁和柱選用Ansys中的Beam3單元，本文選用Contac178單元作為填充墻和框架結(jié)構(gòu)之間的接觸單元，選用Shell41單元模擬碳纖維。2.2 有限元分析本文利用天津波分別對(duì)各種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了動(dòng)力時(shí)程分析，得到了不同結(jié)構(gòu)形式的地震響應(yīng)。天津波的最大加速度為1.0338m/s2，加載時(shí)間為19.2s，共計(jì)960個(gè)荷載步，天津波的加

3、速度譜如圖2所示。本文采用完全法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程分析，結(jié)構(gòu)的阻尼比設(shè)置為0.05。圖2天津波加速度時(shí)程曲線圖2.2.1 不同形式的結(jié)構(gòu)頂層水平方向最大位移經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到不同結(jié)構(gòu)形式框架結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平方向最大位移時(shí)程曲線如圖2.2.1-12.2.1-6所示。圖2.2.1-1純框架頂層位移時(shí)程曲線圖2.2.1-2未加固框架填充墻結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程曲線圖2.2.1-3首層加固結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程曲線圖2.2.1-5一三五樓層加固結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程曲線圖2.2.1-6全樓加固結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程曲線以頂層位移最大時(shí)刻的時(shí)間為基準(zhǔn)，得到各樓層此時(shí)的位移，見(jiàn)表2.2.1-1。繪制出此時(shí)沿各樓層發(fā)生的水平位移包絡(luò)圖，如

4、圖2.2.1-7所示。表2.2.1-1各層最大水平位移（mm）結(jié)構(gòu)形式樓層數(shù)四五純框架1.764.416.698.239.03未加固1.273.114.725.016.04首層加固1.072.323，243.994.55一二樓層加固0.972.072.893.564.05一三五樓層加固0.902.112.903.413.88全樓加固0.791.782.483.043.47圖2.2.1-7各層水平位移變化圖由位移數(shù)據(jù)可以得到，在地震作用下，各種形式結(jié)構(gòu)的最大位移存在差異，隨著結(jié)構(gòu)剛度的提高各樓層的水平位移都有減小，由圖2.2.-72可以看出，經(jīng)過(guò)加固后的結(jié)構(gòu)水平最大位移比未加固的結(jié)構(gòu)減小幅度明顯

5、，不同加固形式的結(jié)構(gòu)最大位移相差幅值不大。2.2.2 不同形式的結(jié)構(gòu)水平方向最大底部剪力在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析過(guò)程中，框架柱底部會(huì)產(chǎn)生剪力，而且剪力大小也會(huì)隨著時(shí)間變化而變化，通過(guò)對(duì)每種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析后得到底部最大剪力值見(jiàn)表2.2.2-1所示。表2.2.2-1水平方向最大底部剪力（kN）結(jié)構(gòu)形式純框架未加固首層加固一二樓層加固一三五樓層加固全樓加固底部最大剪力10.0821.5226.1932.8136.9339.19由最大剪力表格可以得出，加入填充墻后結(jié)構(gòu)的底部最大剪力大約是純框架結(jié)構(gòu)的2倍;說(shuō)明填充墻的加入對(duì)結(jié)構(gòu)剛度影響較大。相對(duì)于未加固的框架填充墻結(jié)構(gòu)而言，經(jīng)過(guò)碳纖維布加固后結(jié)構(gòu)的最

6、大剪力也都有所增大，而且隨加固量的增大而增大，增幅分別為21.7%、52.4%、71.6%和82%，說(shuō)明碳纖維加固前后對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度的影響不可忽略。2.2.3 不同形式的結(jié)構(gòu)耗能分析在遭遇地震時(shí)，結(jié)構(gòu)的耗能水平反映其抗震能力，將任意時(shí)刻t結(jié)構(gòu)的耗能（單位是焦（J）定義為（式中：一t時(shí)刻結(jié)構(gòu)底部剪力；一t時(shí)刻結(jié)構(gòu)頂層位移）。利用計(jì)算得到的底部剪力時(shí)程曲線和頂層位移時(shí)程曲線，進(jìn)行計(jì)算得到不同結(jié)構(gòu)形式的耗能時(shí)程曲線圖（如圖2.2.3-1223-6）。2.2.3-1純框架結(jié)構(gòu)耗能時(shí)程曲線圖圖2.2.3-2未加固框架填充墻結(jié)構(gòu)耗能時(shí)程曲線圖圖2.2.3-3首層加固框架填充墻結(jié)構(gòu)耗能時(shí)程曲線圖圖2.2.3-

7、4一二樓層加固框架填充墻結(jié)構(gòu)耗能時(shí)程曲線圖圖2.2.3-5一三五樓層加固框架填充墻結(jié)構(gòu)耗能時(shí)程曲線圖圖2.2.3-6全樓加固框架填充墻結(jié)構(gòu)耗能時(shí)程曲線圖利用數(shù)學(xué)處理軟件Origin8.0對(duì)耗能時(shí)程曲線進(jìn)行積分，得到結(jié)構(gòu)在地震作用下消耗的總能量（見(jiàn)表2.2.3-1所示）表2.2.3-1結(jié)構(gòu)耗能值結(jié)構(gòu)形式純框架未加固首層加固一二樓層加固一三五樓層加固全樓加固最大耗能值89.9897104115.7131.09119.31總的耗能值54.2667.9276.2885.2496.7287.19由不同結(jié)構(gòu)形式的耗能能力可以看出，填充墻的加入能提高框架的耗能能力，相對(duì)于未加固的結(jié)構(gòu)而言，經(jīng)過(guò)加固后的結(jié)構(gòu)耗

8、能能力明顯增大，增幅分別為12%、25%、42%和28%，其中隔層加固后的結(jié)構(gòu)耗能能力增幅最大，說(shuō)明這種加固方式在提高結(jié)構(gòu)延性，改善結(jié)構(gòu)抗震性能方面有其優(yōu)越性，在實(shí)際應(yīng)用中不失為一種好的加固方法。3小結(jié)通過(guò)利用有限元軟件Ansys對(duì)碳纖維布加固某五層框架填充墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析和動(dòng)力時(shí)程分析。經(jīng)過(guò)計(jì)算對(duì)比分析，不同加固方式下結(jié)構(gòu)的自振頻率、頂層最大水平位移、底部剪力以及耗能性能均不同。結(jié)構(gòu)的自振頻率、和底部剪力隨著加固量的增大而增加，頂層最大水平位移隨著加工量的增大而減小，而隔層加固后的結(jié)構(gòu)耗能性能最好，分析的相關(guān)數(shù)據(jù)可以作為參考資料應(yīng)用于實(shí)際工程實(shí)踐。參考文獻(xiàn)：1 王全鳳，黃奕輝，楊勇新.結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)及使用計(jì)算M.北京：中國(guó)電力出版社，20092 趙彤，張展軍，謝劍，李偉林.碳纖維布加同開(kāi)裂磚墻的試驗(yàn)研究J，特種結(jié)構(gòu)，2002.19（1）：58-623 苗吉軍.地震作用下砌體結(jié)構(gòu)倒塌反應(yīng)的計(jì)算機(jī)仿真分析D.上海：同濟(jì)大學(xué)，2003：25-454 李常青.填充墻框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型修正研究D.湖南：湖南大學(xué)，20045 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析M.北京：人民交通出版社，2007：30-31，479-4856 趙國(guó)藩.高等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社