配筋砌塊砌體非線性有限元模型抗壓試驗模擬★

郭秀芹 馬建勛* 成立濤

(1.西安交通大學，陜西西安 710049; 2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西西安 710049)

配筋砌塊砌體是對普通砌體的改進，既保留了傳統材料取材廣泛、施工方便、造價低廉的特點，又達到了節能減排的目的，同時其具有良好的材料性能。近年來，國內外一些學者對配筋砌塊砌體做了很多的試驗研究，并獲得一定成果[1-5]。但在非線性分析方面配筋砌塊砌體的研究相對較少。為此，本文對配筋砌塊砌體非線性有限元分析各種模型的適用性展開研究，主要對其抗壓

試驗進行了模擬。

1 未灌芯混凝土砌塊砌體抗壓試驗模擬

采用全分離式模型、半分離式模型模擬宋力試驗[6]的未灌芯混凝土砌塊抗壓實驗。試驗相關材料參數見表1，抗壓試件尺寸見圖1，頂部均勻加載;模型采用的具體參數見表2;模擬結果、規范計算結果與試驗結果的對比見表3。

表1 宋力抗壓試驗分組及材料參數

圖1 宋力試驗抗壓試件

表3 宋力試驗模擬、規范與試驗結果對比

從模擬結果來看半分離式模型分析的精度取決于規范公式的精度，精度較好在工程允許范圍內;而全分離模型由于假定的假設與實際的出入使得誤差較大。全分離模型砂漿破壞后，模型收斂困難，很難得到下降段曲線，而半分離式模型相對容易得到下降段曲線，典型的頂部豎向荷載與豎向位移曲線如圖2所示。

圖2 抗壓試驗典型荷載位移曲線

2 灌芯混凝土砌塊砌體抗壓試驗模擬

采用全分離式模型、半分離式模型、整體模型模擬宋力試驗[6]、全成華灌芯混凝土砌塊抗壓實驗[7]。試驗相關材料參數見表4，抗壓試件尺寸見圖3，頂部均勻加載;模型采用參數取用前述方法，具體參數見表5;模擬結果、規范計算結果與試驗結果的對比見表6。

3 模擬結果分析

采用全分離模型可以得到砌體各部分材料應力的細節，以標2(2)組為例進行分析。砂漿的泊松比大于混凝土砌塊，所以豎向受力時砂漿受到砌塊的約束作用，其抗壓強度大于單軸抗壓強度。而結構的破壞是始于砂漿的壓碎，部分砂漿的豎向壓應力已達到18.09 MPa，超過了砂漿的單軸抗壓強度15.8 MPa(見表5)。但是荷載位移曲線還沒有出現下降段，從模擬結果來看結構還沒有到達極限荷載，不收斂的原因在于砂漿的破壞引起的數值計算的困難。因此我們可以通過定義砂漿的應力應變曲線下降段為直線，并且關閉開裂和壓碎選項，來減緩由于砂漿破壞帶來的數值計算的困難。但從模擬結果來看，極限荷載仍然偏低。造成這種結果的原因在于砂漿與砌塊剛接假設與砂漿屈服后砂漿與砌塊相互作用的行為不符。

表6 灌芯混凝土砌塊砌體模擬、規范與試驗結果對比

表4 灌芯混凝土砌塊砌體抗壓試驗分組及材料參數

圖3 全成華灌芯混凝土砌塊砌體抗壓試驗試件尺寸

表5 灌芯混凝土砌塊砌體抗壓試驗有限元模擬材料參數 MPa

由于砂漿的抗壓強度相對于砌塊和灌芯混凝土而言較小，在全分離模型中砂漿的破壞導致整體剛度矩陣出現多個小主元導致收斂困難，往往無法得到荷載位移曲線的下降段，所得極限荷載也較試驗值和規范計算結果小。

從表3，表6中可以看出半分離式模型的模擬精度很大取決于均質化的砌體本構關系對于砂漿、砌塊組成的砌體的模擬精度。而未灌芯的砌塊砌體的本構關系是以規范中混凝土砌塊砌體的力學參數為基礎，總結當前砌體的本構關系的特點后建立起來的，能夠較好的反映未灌芯混凝土砌塊砌體的力學行為。采用半分離式模型相較于全分離模型更容易收斂，可以得到荷載位移曲線的下降段。

4 結語

本文采用全分離式模型、半分離式模型、整體模型分別模擬宋力未灌芯混凝土及灌芯混凝土砌塊砌體受壓實驗、全成華灌芯混凝土砌塊砌體抗壓實驗，從中可以得出，全分離式模型由于砂漿的破壞導致整體剛度矩陣出現多個小主元導致收斂困難，無法得到荷載位移曲線的下降段，如何考慮砂漿的影響，同時又避免砂漿破壞導致的數值計算的困難，這是目前采用全分離式有限元模型模擬砌塊砌體的困難。而將砌體視為由砂漿、砌塊組成的均質整體，即采用半分離式模型可以在一定程度上較好的解決這個問題，采用半分離式模型可以較好模擬結構的力學行為，同時避免引起砂漿過早破壞帶來的收斂困難。

[1] 姜洪斌，唐岱新，張洪濤.配筋混凝土小砌塊剪力墻承載力試驗研究[J].哈爾濱建筑大學學報，2001，34(3):31-34.

[2] 田玉濱，唐岱新.配筋砌塊墻體連梁承載能力的試驗研究[J].低溫建筑技術，2002(2):20-21.

[3] 全成華，唐岱新.高強砌塊配筋砌體剪力墻抗剪性能試驗研究[J].建筑結構學報，2002，23(2):79-86.

[4] 楊偉軍，施楚賢.配筋砌塊砌體剪力墻抗剪承載力研究[J].建筑結構，2001，31(9):25-27.

[5] 呂偉榮.砌體基本力學性能及高層配筋砌塊砌體剪力墻抗震性能研究[D].長沙:湖南大學土木工程學院，2007.

[6] 宋 力.混凝土砌塊砌體基本力學性能試驗研究與非線性有限元分析[D].長沙:湖南大學土木工程學院，2005.

[7] 全成華，唐岱新，江 波.高強砌塊灌芯砌體強度試驗研究[J].哈爾濱建筑大學學報，2002，35(2):31-34.