基于有限元模拟的砌体墙震后损伤及加固初步研究

摘要

砌体结构历史悠久，是目前应用最广泛的结构形式之一，尤其在工业与民用建筑中所占比例较大，数据统计显示，在我国约80％的工业与民用建筑均为砌体结构，且在未来的发展中仍然至关重要。砌体结构特点突出，建筑材料来源广泛，可就地取材;施工便捷，无需大型施工设备;造价相对低廉;砌块材料具有优良的耐火性等。但就砌体结构的抗震水平而言，结构自身存在着较大的缺陷和不足。历次地震震害调查资料显示，砌体结构相对于其他结构形式而言较容易遭受破坏，震后损失也最为惨重。砌体结构抗震能力较差，这也是砌体结构需进行鉴定加固的重要原因。
　　结构修复与加固，是当下比较热门的研究方向之一。抗震加固，指的是针对一些抗震能力不满足要求的建筑，通过一定的施工方法和技术手段，使其能够达到抗震鉴定的要求，我们通常称其为震前加固。目前对于抗震加固方法的研究较多，发展已较为完善，可以很好的改善结构的抗震能力，起到较好的预防作用。而相对来说，目前对于震后结构修复的研究则相对很少。结构在遭受地震力破坏后在再对结构进行加固修复，我们通常称为震后加固。房屋遭受地震破坏后，在灾后重建阶段，有大量的砌体结构可通过一定的加固修复措施使结构承载力恢复至较好的水平满足规范要求，这部分砌体结构通过结构修复可大大减少新建房屋的施工量。
　　但目前对于砌体结构遭受一定程度的损伤后的二次受力研究几乎没有，缺乏数据研究支持。本文利用ABAQUS有限元软件，对砌体墙片构件进行精细化建模，采用粘性界面的方式模拟砂浆层的相互作用，并对该模拟方法进行了验证。模拟了不同损伤程度下的二次受力情况，得到如下结论:轻微破坏状态时，砌体墙片所受损伤较小，具备较高的抗震能力，骨架曲线基本与原墙重合;中等破坏状态下，墙体刚度下降明显，极限承载力和极限位移下降，但抗震性能下降不大;严重破坏状态下，墙体刚度明显下滑，此时墙体抗震能力较差;接近倒塌状态下，墙体基本接近完全破坏，丧失承载力，基本不具备抗震能力。
　　同时，本文提出了采用生死单元的方法模拟了水泥砂浆钢筋网面层加固和碳纤维复合材料加固两种加固方法。分别对轻微破坏、中等破坏、严重破坏及接近倒塌破坏形态下进行了加固分析。通过提取分析滞回曲线、骨架曲线和损伤云图等分别得到了对应的加固恢复效果。运用水泥砂浆钢筋网面层加固的方法，墙体的极限承载力和极限位移提高显著，在轻微破坏、中等破坏和严重破坏状态下，墙体的极限承载力和极限位移相对于原墙均有了不同程度的提高，性能恢复良好，但在接近倒塌形态下，则无法恢复至震前水平。运用碳纤维加固方法，在轻微破坏、中等破坏下，墙体抗震能力得到较好的恢复，其抗震水平超过原墙，在严重破坏状态下，墙体抗震能力恢复至接近原墙的水平，但在接近倒塌形态下，墙体的抗震性能无法恢复至原墙的水平。同时，本文对比了两种加固方法的加固效果和加固费用，指出加固损伤砌体墙，水泥砂浆钢筋网面层加固要优于碳纤维复合材料加固。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文背景及意义

1．2 砌体墙研究进展

1．3 本文主要研究内容

第二章 砌体结构震害

2．1 砌体结构

2．2 砌体结构构造措施

2．3 砌体结构破坏类型

2．3．1 剪切型破坏

2．3．2 弯剪倾覆破坏

2．3．3 弯曲型破坏

2．4 砌体结构破坏分析

2．4．1 倒塌形态

2．4．2 砌体结构震害现象分析

2．5 本章小结

第三章 砌体结构加固方法

3．1 砌体结构加固与修复

3．2 砌体结构加固原则

3．3 砌体结构加固发展过程

3．4 砌体结构加固修复方法

3．4．1 压力灌浆法

3．4．2 填缝密封修补法

3．4．3 钢筋混凝土销键法

3．4．4 钢筋网水泥砂浆面层加固

3．4．5 粘贴碳纤维复合材料加固

3．4．6 增设圈梁—钢筋混凝土柱加固法

3．5 本章小结

第四章 砌体墙有限元模拟

4．1．2 有限元的诞生和发展

4．1．3 有限元的应用

4．2 ABAQUS有限元建模

4．2．1 砌体墙建模类型

4．2．2 本文建模基本思路

4．2．3 本构关系

4．2．4 粘性界面

4．2．5 加载制度

4．3 试验模拟及验证

4．4 本章小结

第五章 损伤模拟及加固分析

5．1 砌体墙损伤状态划分

5．2 不同损伤状态模拟及分析结果

5．2．1 轻微破坏

5．2．2 中等破坏

5．2．3 严重破坏

5．2．4 接近倒塌

5．2．5 对比分析

5．3 水泥砂浆钢筋网加固及结果分析

5．3．1 轻微破坏加固

5．3．2 中等破坏加固

5．3．3 严重破坏加固

5．3．4 接近倒塌加固

5．3．5 加固方法分析

5．4 碳纤维复合材料加固及结果分析

5．4．1 轻微破坏加固

5．4．2 中等破坏加固

5．4．3 严重破坏加固

5．4．4 接近倒塌加固

5．3．5 加固方法分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读硕士期间发表论文

攻读硕士期间参与的科研项目