抗震結構中填充墻倒塌數值模擬與分析

楊 偉，歐進萍，2

(1.哈爾濱工業大學深圳研究生院，518055廣東深圳，ywluck@126.com; 2.大連理工大學土木水利學院，116024遼寧大連)

近年來，建筑抗震設計方法已經有了很大的發展，而且在不斷地更新和完善，但填充墻對結構的影響目前設計方法考慮得還不夠全面，只是簡單地考慮周期折減，并沒有與結構構件的設防水準相協調，即沒有在同一標準下加以考慮設計，結果導致其震害嚴重，甚至會引起結構倒塌傷人［1］.按照當前許多國家普遍采用的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設防標準［2］，所設計和建造的房屋結構，即使做到大震時建筑物的結構不倒，能保障生命安全，也無法做到中小地震時填充墻不壞，進而造成嚴重的經濟損失，影響到社會生活.

汶川地震之后，本文作者參與了國家地震局組織的都江堰市震害普查工作，發現該市建筑包括各種典型結構形式，震害也表現出各種典型形式，其中填充墻的破壞十分普遍.目前對于填充墻的面內失效機理研究比較充分［3-7］，但是對于填充墻的面外失效機理研究還不多，尤其對于填充墻的倒塌問題.因此，本文在此背景下分析總結填充墻的典型震害，并進行填充墻面外倒塌有限元仿真，探討砂漿強度等級與填充墻的構造措施，對改善填充墻抗震性能的影響，具有重要意義.

1 填充墻的典型震害

汶川地震震害調查發現，框架或底框結構中的填充墻根據其地震作用大小、受力方式、砌體的材料特性、砌體的砌筑方式、砂漿級別、結構中的位置、連接構造措施和施工質量等因素，其典型震害形式主要有:水平裂縫、斜裂縫、X型裂縫、平面外傾斜、角部壓碎和局部或整體倒塌等情況，如圖1～6所示.

圖1 水平裂縫

圖2 斜裂縫

圖3 X型裂縫

圖4 平面外傾斜

圖5 角部壓碎

圖6 部分倒塌或全倒塌

2 框架填充墻倒塌數值模擬與分析

在某些情況下，填充墻的倒塌會給人身安全帶來危害.抗震結構地震倒塌模擬是一個非常復雜的過程，目前國內外對框架填充墻大震倒塌仿真的研究還不多，文中借助數值計算軟件LS-DYNA，對填充墻的面外倒塌問題進行仿真分析.

2.1 有限元模型

分析的模型為一單層單跨填充墻框架，柱距6.0 m，高3.6 m，截面500 mm×500 mm，梁截面250 mm×500 mm.分析的填充墻砌塊為混凝土砌塊，砌塊尺寸為880 mm×240 mm×380 mm，其中厚度為240 mm.該類型砌塊在災區是十分常見的，如圖3、4所示.框架和砌體填充墻以及地面均采用三維8節點顯示SOLID164單元，該單元常被用于3維實體結構顯示動力分析，鋼筋則采用BEAM161單元進行建模;地面為剛體，其他為變形體.由于討論面外倒塌問題，因此梁柱和砌體均采用彈性本構，考慮其接觸非線性問題，不考慮材料破壞.框架填充墻有限元模型如圖7所示，文中考慮9度罕遇地震作用，每隔380 mm設置貫通的2 φ 6拉結筋，加筋模型如圖8中所示;墻的長度超過5 m，按規范要求墻頂與梁宜有拉結，拉結筋模型如圖8中所示.

圖7 填充墻框架LS－DYNA有限元模型

圖8 填充墻設置拉結筋

2.2 固連失效接觸模型

文中不對砂漿建模，而是通過定義固連失效接觸模型，考慮砂漿的影響.該接觸模型是基于砂漿抗拉和抗剪強度建立固連失效準則，如圖9所示，即初始時刻砌塊和砌塊之間，以及砌塊和框架之間互相固連，當接觸應力fn和剪應力fs分別達到失效值fn，f和fs，f時，固連作用就會失效，從而接觸體之間可以分離和滑移.砂漿的抗拉強度和抗剪強度按混凝土砌塊加M5級和M7.5級砂漿分別進行討論，具體參數根據砌體結構設計規范［8］規定值取用，M5砂漿抗拉強度為0.08 MPa，抗剪強度為0.10 MPa，M7.5砂漿抗拉強度為0.10 MPa，抗剪強度為0.13 MPa.

圖9 固連失效接觸模型

2.3 模擬結果及分析

為了分析各因素，如材料強度、規范要求的構造措施等，對填充墻框架倒塌模式的影響，采用多個工況進行對比分析.工況1:作為參考算例，無任何構造措施且考慮砂漿強度等級較低為M5;工況2:考慮砂漿強度等級的影響，即提高砂漿強度等級為M7.5;工況3:在工況1基礎上，與兩端柱設置貫通拉結筋措施;工況4:在工況1基礎上，與梁柱均設置拉結筋措施.

工況1的框架填充墻倒塌過程，分析結果如圖10所示.圖中給出的結果均是以單元網格形式，可以看到單元之間的接觸情況.在t=1.0～3.0 s時，由于地震動的幅值大，靠近梁上部的首層填充墻砌塊很快達到其抗剪與抗拉強度而首先滑移脫落，進而下部砌塊也跟著脫落倒塌，如圖10(a)～(c)所示.經過上述破壞之后，砌體填充墻整體性較差，緊接著又有較大的地震動幅值輸入，砌體又大量倒塌.到t=6.0 s時，填充墻砌塊則大部分倒塌，如圖10(d)所示.模擬結果和實際震害是比較一致的，如圖6所示.模擬結果充分說明了沒有任何構造措施且砂漿強度較低的填充墻在地震動作用下，較早也較容易脫離框架而出現倒塌現象.

圖10 無拉結筋，M5砂漿等級填充墻框架倒塌過程

工況2為無水平拉結筋構造措施，砂漿等級為M7.5時，填充墻框架的破壞過程，分析結果如圖11所示.由于砂漿等級較高，其抗拉和抗剪強度均比較大，到t=2.7 s時，靠近梁上部個別砌塊才相對滑移較大，往外傾斜，接近倒塌，如圖11(a)所示.到地震作用結束(t=6.0 s)時，填充墻砌塊之間基本能夠保持良好的整體性，僅靠近梁上部砌塊掉落，但并沒有出現大量砌塊滑移脫落現象，部分變形較大接近脫落，在后續的地震作用可能仍會倒塌，如圖11(b)所示，說明提高砂漿等級對防止和延遲砌塊脫落倒塌能起到一定的作用，但不是最有效的方法.

工況3為有水平拉結筋構造措施的填充墻破壞情況，分析結果如圖12所示.該算例在工況1的基礎上，設置貫通的水平拉結筋.鋼筋節點與柱及填充墻砌塊節點均耦合在一起.在整個地震作用過程中，由于鋼筋對砌塊的約束作用，且鋼筋每隔一層砌塊設置一道，設置間距較小，使砌塊保持較好的整體性，框架填充墻整體晃動;直至t=6 s時，靠近梁上部的填充墻砌塊往外突出，并不脫落，結構始終能保持整體不倒塌.因此，說明拉結筋措施能比較有效地防止填充墻砌塊的平面外倒塌.

工況4的填充墻破壞情況，分析結果如圖13所示.本算例在工況3的基礎上增加與梁的拉結筋措施，拉結筋節點分別與砌塊和梁的節點耦合一起，使之變形協調.在地震作用整個過程中，由于鋼筋對砌塊的約束作用，且設置間距較小，使砌塊保持良好的整體性，框架填充墻整體晃動，靠近梁上部的填充墻砌塊由于兩側鋼筋的約束作用，前后左右晃動，并不脫落;直至最后，結構始終保持整體不倒塌，且變形較小.因此，說明與框架邊界施加拉結筋措施能有效地防止填充墻砌塊的抗倒塌能力.

圖11 工況2填充墻框架破壞過程

圖12 工況3填充墻框架破壞情況

圖13 工況4填充墻框架破壞情況

3 結論

1)在往復地震作用下，填充墻典型震害形式主要有水平裂縫、斜裂縫、X型裂縫、平面外傾斜、角部壓碎和局部或整體倒塌等情況，應當極力避免由于沒有設置任何構造措施而導致填充墻倒塌傷人，汶川地震災區發現不少這種情況.

2)數值計算軟件LS-DYNA能夠很好地模擬填充墻的倒塌過程，有助于深入了解填充墻的破壞機理.

3)提高砂漿強度等級，設置合理的構造措施，如設置拉結筋措施，可以有效地提高填充墻的防倒塌能力;建議對于八度設防烈度以上的填充墻框架結構，除設置全長貫通拉結筋外，應適當減小設置間距，并采取其他適當的構造措施，如設置鋼筋(絲)網，以確保填充墻砌塊不倒塌傷人.

［1］ 清華大學，西南交通大學，北京交通大學土木工程結構專家組.汶川地震建筑震害分析［J］.建筑結構學報，2008，29(4):1-9.

［2］ GB 50011—2001.建筑抗震設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2001.

［3］ SHING P B，MEHRABI A B.Behavior and analysis of masonry-infilled frames［J］.Prog Struct Engng Mater，2002，4:320-331.

［4］ KLINGNER，BERTERO V V.Infilled frames in earthquake-resistant construction:report EERC176-32［R］.Berkeley:Earthquake Engineering Research Center，University of California，1976.

［5］ BERTERO V V，BROKKEN S.Infills in seismic resistant building［J］.Journal of Structural Engineering，1983，109(6):1227-1361.

［6］ SCHMIDT T.Experiments on the nonlinear behavior of masonry infilled reinforced concrete frames［J］.Darmstadt Concrete，Annual Journal on Concrete and Concrete Structures，1989，4:185-194.

［7］ MEHRABI A B，SHING P B，SCHULLER M P，et al.Experimental evaluation of masonry-infilled R/C frames［J］.Journal of Structural Engineering，1996，122(3):228-237.

［8］ GB 50003—2001.砌體結構設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.