CN114417482A - 一种加固后砌体填充墙的简化力学模型的建立方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加固后砌体填充墙简化力学模型的建立方法。包括以下步骤：建立加固前砌体填充墙的基本力学模型；建立加固后砌体填充墙的简化力学模型：采用承载力修正系数计入加固做法对砌体填充墙的增强作用，通过通用有限元软件ANSYS计算承载力修正系数，得到加固后砌体填充墙的简化力学模型。本发明可以用于钢结构框架的抗震设计和加固改造的分析计算，相比砌体填充墙的实体模型，简化力学模型在保证精确度的前提下，能够大幅缩短计算时间，便于工程应用。

Description

一种加固后砌体填充墙的简化力学模型的建立方法
技术领域
本发明涉及砌体填充墙加固技术领域，具体涉及一种加固后砌体填充墙的简化力学模型的建立方法。
背景技术
在公共建筑和住宅建筑中，一般使用砌体填充墙对结构的房间进行分割和围护。地震作用下，砌体填充墙会与结构梁、柱发生相互作用，提高整体结构的刚度。对于钢结构框架，由于结构本身刚度相对较小，砌体填充墙的影响更加显著。在钢结构框架设计中，一般通过周期折减系数考虑砌体填充墙对于整体结构的影响，不同的周期折减系数取值会造成结构分析结果的较大差异，然而相关规范中只给出了周期折减系数的取值范围，并没有给出具体取值。当对砌体填充墙进行加固后，砌体填充墙与主体结构的连接更加牢固，需要更精确的方法来考虑砌体填充墙和主体结构的相互作用，仅通过周期折减系数来计入砌体填充墙影响的做法不能满足结构经济性和安全性的需求。合理、准确的计入加固后砌体填充墙对主体结构的影响是钢结构框架结构抗震设计和加固、改造分析的基础。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种加固后砌体填充墙的简化力学模型的建立方法，能够解决现有技术中缺少加固后砌体填充墙的简化力学模型的问题。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
本发明提供一种加固后砌体填充墙的简化力学模型的建立方法，包括以下步骤：
S1：建立加固前砌体填充墙的基本力学模型：
采用三斜撑模型作为加固前砌体填充墙的基本力学模型；三斜撑模型通过对角斜撑模拟裂缝出现前砌体填充墙的受压作用，通过上下两个偏对角斜撑模拟裂缝出现后砌体填充墙对角线上下两个受压区的作用，通过接触长度模拟砌体填充墙与主体结构之间的连接情况；此外，三斜撑与主体结构的连接方式均为刚接；砌体填充墙基本三斜撑模型中涉及到的参数根据下式计算，
Figure 363974DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 543283DEST_PATH_IMAGE002
为柱接触长度系数；
Figure 83985DEST_PATH_IMAGE003
为梁接触长度系数；h为柱高；l为梁长；
Figure 206750DEST_PATH_IMAGE004
为柱截面屈服弯矩；
Figure 682862DEST_PATH_IMAGE005
为梁截面屈服弯矩；
Figure 21571DEST_PATH_IMAGE006
为梁、柱节点的较小屈服弯矩；t为砌体填充墙厚度；
Figure 303647DEST_PATH_IMAGE007
为砌体填充墙水平方向抗压强度；
Figure 739308DEST_PATH_IMAGE008
为砌体填充墙竖直方向抗压强度；
Figure 183059DEST_PATH_IMAGE009
为主对角支撑和梁底的夹角；
Figure 274643DEST_PATH_IMAGE010
为斜撑等效刚度，
Figure 94831DEST_PATH_IMAGE011
为上部梁柱节点的极限水平位移；
Figure 322681DEST_PATH_IMAGE012
为斜撑等效屈服强度；
S2：建立加固后砌体填充墙的简化力学模型：
基于加固前砌体填充墙的基本力学模型，采用承载力修正系数
Figure 830278DEST_PATH_IMAGE013
对斜撑截面面积A进行修正，计入加固做法对砌体填充墙的增强作用得到修正后的三斜撑模型，并将其作为加固砌体填充墙的简化力学模型：
S21: 计算承载力修正系数:
将加固前后钢结构框架简化为平面结构，在通用有限元软件ANSYS中采用实体单元对算例结构进行push-over分析；取层间弹塑性位移角为1/250-1/50时的水平侧向荷载作为钢框架结构的极限承载力状态，并根据下式计算承载力修正系数
Figure 205895DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 829775DEST_PATH_IMAGE015
式中，
Figure 912131DEST_PATH_IMAGE016
与
Figure 963264DEST_PATH_IMAGE017
分别为加固前后钢结构框架的侧向水平力极限承载力；
S22: 对加固前砌体填充墙的基本力学模型中斜撑截面面积进行修正，得到加固后砌体填充墙的简化力学模型：
根据承载力修正系数对斜撑截面面积进行放大；加固后砌体填充墙的简化力学模型中的斜撑截面面积为，
Figure 763861DEST_PATH_IMAGE018
式中，
Figure 925852DEST_PATH_IMAGE019
为加固后砌体填充墙的斜撑截面面积。
本发明根据砌体填充墙的力学性质提出的加固砌体填充墙简化力学模型，可以用于钢结构框架的抗震设计和加固改造的分析计算，相比砌体填充墙的实体模型，简化力学模型在保证精确度的前提下，能够大幅缩短计算时间，便于工程应用。
附图说明
图1为本发明实施例—建立加固后砌体填充墙的简化力学模型的总体流程图；
图2为本发明实施例—加固后砌体填充墙三斜撑模型；
图3为本发明实施例—砌体填充墙加固做法示意图；
图4(a)为本发明实施例—加固前砌体填充墙的应力云图；
图4(b)为本发明实施例—加固后砌体填充墙的应力云图；
图5为本发明实施例—算例钢结构框架立面图；
图6为本发明实施例—算例加固前后砌体填充墙的荷载—位移曲线。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
如图1所示：本发明提供一种加固后砌体填充墙的简化力学模型，包括以下步骤：
S1: 建立加固前砌体填充墙的基本力学模型：
已有研究结果表明，在侧向水平力的作用下，砌体填充墙的高应力区域首先集中在对角区域，随着对角区域斜裂缝的发展，偏对角区域的应力逐渐增加，形成上下两个受压区，直至结构侧向变形过大，砌体填充墙发生平面外弯曲破坏。本发明根据砌体填充墙的受力特点，采用三斜撑模型作为砌体填充墙的基本力学模型，见图2中的三斜撑模型示意图。如图2所示。砌体填充墙三斜撑模型通过对角斜撑模拟裂缝出现前砌体填充墙的受压作用；通过上下两个偏对角斜撑模拟裂缝出现后砌体填充墙对角线上下两个受压区的作用；通过接触长度模拟砌体填充墙与主体结构之间的连接情况；此外，三斜撑与主体结构的连接方式均为刚接。砌体填充墙基本三斜撑模型中涉及到的参数可根据下式计算，
Figure 128294DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 350328DEST_PATH_IMAGE002
为柱接触长度系数；
Figure 372642DEST_PATH_IMAGE003
为梁接触长度系数；h为柱高；l为梁长；
Figure 338324DEST_PATH_IMAGE004
为柱截面屈服弯矩；
Figure 457590DEST_PATH_IMAGE005
为梁截面屈服弯矩；
Figure 912842DEST_PATH_IMAGE006
为梁、柱节点的较小屈服弯矩；t为砌体填充墙厚度；
Figure 744488DEST_PATH_IMAGE007
为砌体填充墙水平方向抗压强度；
Figure 248282DEST_PATH_IMAGE008
为砌体填充墙竖直方向抗压强度；
Figure 222054DEST_PATH_IMAGE009
为主对角支撑和梁底的夹角；
Figure 785891DEST_PATH_IMAGE010
为斜撑等效刚度，
Figure 845114DEST_PATH_IMAGE011
为上部梁柱节点的极限水平位移；
Figure 214915DEST_PATH_IMAGE012
为斜撑等效屈服强度。其中上述柱为图2中所示的框架柱，梁为图2中所示框架梁。
S2: 建立加固后砌体填充墙的简化力学模型；
S21：计算承载力修正系数；
图3为典型砌体填充墙的圈梁加固做法。如图3所示，圈梁之间的间隔应小于1.5m，圈梁与主体结构和砌体填充墙形成了间接或直接的可靠连接，增加了砌体填充墙与主体结构之间的摩擦，可以延缓两者之间过早的开裂和脱离。采用通用有限元软件ANSYS分别建立加固前后砌体填充墙的实体模型，对比分析加固前后砌体填充墙的受力模式和破坏模式。如图4所示的应力云图，加固后的砌体填充墙的应力分布在圈梁附近发生了较大的变化，砌体填充墙的整体压应力减小，但整体应力分布模式没有发生较大改变。根据有限元分析结果，圈梁加固后，砌体填充墙的受力更合理，承载力得到了一定增强。
本发明采用承载力修正系数计入加固做法对整体结构的增强作用。将钢结构框架简化为平面结构，在通用有限元软件ANSYS中采用实体单元对算例结构进行push-over分析。根据《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99-2015)规定：多遇地震作用下，多、高层钢结构层间位移角不宜大于1/250，薄弱部位的弹塑性位移角不应大于1/50。本发明考虑钢结构框架的塑性发展，取层间弹塑性位移角为1/250-1/50时的水平侧向荷载作为钢框架结构的极限承载力状态，计算侧向水平力极限承载力。承载力修正系数
Figure 246456DEST_PATH_IMAGE014
可根据侧向水平力极限承载力计算，
Figure 43511DEST_PATH_IMAGE015
式中，
Figure 590030DEST_PATH_IMAGE016
与
Figure 435626DEST_PATH_IMAGE017
分别为加固前后钢结构框架的侧向水平力极限承载力。
S22：对加固前砌体填充墙的基本力学模型的原有三斜撑模型中斜撑截面面积进行修正，得到加固后砌体填充墙的简化力学模型；
根据承载力修正系数对斜撑截面面积进行放大。加固后砌体填充墙的简化力学模型中的斜撑截面面积为，
Figure 383990DEST_PATH_IMAGE020
式中，
Figure 289630DEST_PATH_IMAGE021
为加固后砌体填充墙的斜撑截面面积。
算例
本发明算例为一个双层单跨的钢结构框架，跨度为4m，层高为3m，两层均布置砌体填充墙，墙厚250mm，见图5钢结构框架立面图。框架柱采用箱型截面，尺寸为350mmx350mm，厚度为12mm，框架梁采用型钢HW300x300。
实体模型采用SOLID95单元模拟钢结构框架，SOILD45单元模拟砌体填充墙，通过3D target170和pt-to-surf173接触单元模拟砌体填充墙与主体结构之间的相互作用，有限元网格采用六面体映射划分。Push-over分析结果见图6中的钢结构框架荷载-位移曲线。如图6所示，砌体填充墙增大了钢结构框架的侧向水平承载力，加固后其侧向水平承载力有少量提高。
根据实体单元模型的结果考虑加固做法对承载力的放大作用，对算例结构三斜撑模型中的参数进行计算。三斜撑模型的参数取值见表1。
表1三斜撑模型参数
Figure DEST_PATH_IMAGE022
注：斜撑截面均为圆形。
建立砌体填充墙的三斜撑模型时采用梁单元建模，梁单元采用BEAM189单元，取层间弹塑性位移角为1/125时的水平侧向荷载作为钢框架结构的极限承载力状态。钢框架结构水平极限承载力及计算时间见表2。
表2钢框架结构水平极限承载力
Figure 261128DEST_PATH_IMAGE023
注：本发明在数值模拟中不考虑砌体填充墙的平面外移动，表2中的数值均为理想状态下砌体填充墙的水平极限承载力。
如表2所示，砌体填充强加固前后的简化力学模型与实体模型的结果较为接近，表明三斜撑模型可以在结构分析计算中代替砌体填充墙的实体模型；计入砌体填充墙后，结构水平极限承载力提高了近一倍，加固后水平极限承载力又提高了约5%。相比实体模型，简化模型可以通过梁单元进行模拟，极大地缩短了计算时间。根据算例中的具有代表性的钢结构框架砌体填充墙加固做法，计算出的值较小，表明圈梁对于钢框架结构的水平极限承载力的增强作用并不明显，其主要作用还是为了限制水平力下砌体填充墙的平面外失稳。根据分析结果建议：除特殊情况外，可以取承载力修正系数为1.05，也可以在设计和分析中不计入圈梁对于主体结构侧向承载力的放大作用，将承载力的少量提高作为结构的安全储备。

Claims (2)

1.一种加固后砌体填充墙的简化力学模型的建立方法，包括以下步骤：
S1：建立加固前砌体填充墙的基本力学模型：
采用三斜撑模型作为加固前砌体填充墙的基本力学模型；三斜撑模型通过对角斜撑模拟裂缝出现前砌体填充墙的受压作用，通过上下两个偏对角斜撑模拟裂缝出现后砌体填充墙对角线上下两个受压区的作用，通过接触长度模拟砌体填充墙与主体结构之间的连接情况；此外，三斜撑与主体结构的连接方式均为刚接；砌体填充墙基本三斜撑模型中涉及到的参数根据下式计算，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 10586DEST_PATH_IMAGE002
为柱接触长度系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为梁接触长度系数；h为柱高；l为梁长；
Figure 912682DEST_PATH_IMAGE004
为柱截面屈服弯矩；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为梁截面屈服弯矩；
Figure 268709DEST_PATH_IMAGE006
为梁、柱节点的较小屈服弯矩；t为砌体填充墙厚度；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为砌体填充墙水平方向抗压强度；
Figure 368340DEST_PATH_IMAGE008
为砌体填充墙竖直方向抗压强度；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为主对角支撑和梁底的夹角；
Figure 100803DEST_PATH_IMAGE010
为斜撑等效刚度，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为上部梁柱节点的极限水平位移；
Figure 857407DEST_PATH_IMAGE012
为斜撑等效屈服强度；
S2：建立加固后砌体填充墙的简化力学模型：
基于加固前砌体填充墙的基本力学模型，采用承载力修正系数
Figure DEST_PATH_IMAGE013
对斜撑截面面积A进行修正，计入加固做法对砌体填充墙的增强作用得到修正后的三斜撑模型，并将其作为加固砌体填充墙的简化力学模型：
S21: 计算承载力修正系数:
将加固前后钢结构框架简化为平面结构，在通用有限元软件ANSYS中采用实体单元对算例结构进行push-over分析；取层间弹塑性位移角为1/250-1/50时的水平侧向荷载作为钢框架结构的极限承载力状态，并根据下式计算承载力修正系数
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 384334DEST_PATH_IMAGE016
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
与
Figure 305017DEST_PATH_IMAGE018
分别为加固前后钢结构框架的侧向水平力极限承载力；
S22: 对加固前砌体填充墙的基本力学模型中斜撑截面面积进行修正，得到加固后砌体填充墙的简化力学模型：
根据承载力修正系数对斜撑截面面积进行放大；加固后砌体填充墙的简化力学模型中的斜撑截面面积为，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
式中，
Figure 575592DEST_PATH_IMAGE020
为加固后砌体填充墙的斜撑截面面积。
2.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于：步骤S21中的层间弹塑性位移角为1/125。
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