Page 146 - 《爆炸与冲击》2025年第9期

第 45 卷 吴 昊，等： CFRP布加固砌体填充墙抗爆分析与设计 第 9 期

固效果对加固墙体抗爆性能的影响，发现 FRP 与框架之间在保证良好锚固时，能降低填充墙在爆炸荷载
作用下的破坏程度；万军 [15] 通过数值模拟分析了 1 层和 3 层 CFRP 布加固砌体填充墙在爆炸荷载作用下
的动力响应和失效模式，发现 CFRP 布的主要破坏模式为垂直于纤维方向的基体撕裂破坏；Li 等 [9] 对不
同高度和厚度砌体墙的抗燃气爆炸性能进行了数值模拟分析，给出了高度为 3～5 m、厚度为 115 mm
的单向砌体墙 CFRP 布的最优加固厚度，并进一步探究了不同 FRP 类型对砌体墙抗爆加固性能的影响，
结果表明，CFRP 布因其较高的弹性模量，能更有效地减小墙体的面外响应 [16] 。
综上所述，已有关于 CFRP 布加固砌体填充墙抗爆性能的研究还存在以下不足：(1) 数值模拟中多采
用各向同性的线弹性材料 [9, 16-17] 表征单向 CFRP 布的力学性能，忽略了其各向异性特性，不能反映其在爆
炸荷载作用下真实的破坏模式；(2) 现有研究主要针对 CFRP 布层数等对其所加固的单向无筋砌体填充
墙抗爆性能的影响 [6, 8-9, 15-17] ，未提出针对真实墙体结构形式的加固设计建议。基于此，本文中通过建立砌
体填充墙简化分离模型，对爆炸荷载作用下 CFRP 布加固墙体的抗爆性能进行数值模拟分析，通过与 Shi
[5]
等 、Chen 等 [7] 和万军 [8] 开展的未加固和 CFRP 布加固砌体填充墙的野外爆炸试验进行对比，对所提出
有限元分析方法的可靠性进行充分验证。进一步，参考 GB 50608—2020《纤维增强复合材料工程应用
技术标准》 [2] 推荐的砌体墙 FRP 抗震加固方案（水平、斜向及混合加固方式），探究 CFRP 布加固填充墙
抗爆的最优加固方式。最后，以同时满足 CFRP 布基本保持完整、墙体中心不发生砌块飞散以及墙体中

心最大面外挠度小于墙厚为设计目标，给出典型小轿车炸弹（227 kg TNT 当量）和手提包炸弹（23 kg
1/3
1/3
TNT 当量）在不同比例距离（0.2 m/kg ≤Z≤2.0 m/kg ）爆炸作用下加固墙体的 CFRP 布最优层数，以期
为既有含砌体填充墙建筑结构的抗爆性能评估和加固设计提供参考。

1 CFRP 布加固砌体填充墙抗爆有限元分析方法

1.1 有限元模型
砌体填充墙由具有不同静、动态力学性能的砌块和砂浆组成。目前砌体填充墙的数值仿真模型主
要包括宏观均质模型、精细分离模型和简化分离模型，如图 1 所示。宏观均质模型的建模方法是将砌体
墙视为宏观均匀的连续体，采用各向异性宏观均质材料描述砌体的力学性能，该方法计算效率高，但无
法体现砂浆与砌块之间的力学性能差异和相互作用，也不能再现砌体墙的砌块破碎和飞散等破坏模
式。精细分离模型的建模方法需要分别建立砌体墙中的砌块和砂浆，然后根据其不同的力学性能赋予
相应的材料模型及参数，该方法能够较好地描述砌块与砂浆力学性能的差异，体现砌块与砂浆连接界面
的薄弱层，但建模过程较复杂，且砂浆层厚度通常仅有 10 mm，需要采用较小的网格尺寸，从而导致计算
效率较低。简化分离模型的建模方法是将砌块扩展至砂浆层的中间位置，通过扩展砌块之间的接触行
为来反映砂浆的黏结作用，既能表征砌块与砂浆间的相互作用，又可提高建模和计算效率。本文中采用
简化分离模型建模方法。

Homogenized materials Mortar Brick Contact interface Expanded brick unit Contact interface

(a) Macro-homogeneous model (b) Detailed micro-model (c) Simplified micro-model

图 1 砌体填充墙的数值模型
Fig. 1 Masonry infilled wall models in numerical simulations
CFRP 布加固砌体填充墙的有限元模型如图 2 所示，其中外部钢筋混凝土框架和扩展砌块通过拉格
朗日（Lagrange）实体单元（*SECTION_SOLID，ELFORM 取值为 1）进行离散；扩展砌块之间以及扩展砌块
与框架之间的接触采用*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_TIEBREAK（OPTION 取值

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