混凝土砌塊砌體墻受剪性能的有限元模擬

摘要：對混凝土砌塊砌體進行了數值模擬，對于影響模擬結果準確性的一些因素包括剪力傳遞系數的取值、打開關閉壓碎、迭代算法進行探討.應用ANSYS有限元分析軟件模擬足尺混凝土砌塊墻在水平和豎向荷載共同作用下的受力性能，結果表明足尺墻體的抗剪強度低于砌體抗剪強度指標.得出的結論可供砌體結構設計和研究參考.

關鍵詞：混凝土砌塊砌體；剪切；承載力；有限元分析

中圖分類號：TU391文獻標識碼：A

隨著現代砌體結構應用于高層及有抗震要求的地區，對砌體結構基本理論的研究顯得愈加重要、更加有意義.有限元已經成為結構分析的重要工具與途徑.相對于混凝土、鋼結構等其他結構形式，砌體結構的數值模擬結果的準確性有待于進一步提高.本文在總結和探討ANSYS在混凝土砌塊砌體中運用方法的基礎上，結合現有試驗結果，探索采用ANSYS軟件模擬的受剪性能.

1砌塊砌體有限元分析方法

有限元是砌體結構研究的重要工具，近年來砌體結構的有限元分析得到了越來越多的重視.ANSYS軟件強大的功能已經在結構分析中得到了廣泛的應用，不少研究者運用ANSYS對砌體結構進行分析得到了許多有益的結論.王達詮、唐岱新、全成華、孫偉明、李英明、徐銓彪、PAGE A W等都對砌體有限元分析方法進行了研究＼[1-6＼].王達詮等將以連續介質力學為基礎的均質化理論運用于砌塊砌體結構數值分析中形成可以等效砌體組成材料的砌體代表性體積單元＼[1＼]；唐岱新、全成華等采用ANSYS軟件對 7片縱橫配筋大剪跨比的砌塊砌體剪力墻進行數值模擬，得出承載力計算值與試驗值相吻合的結論（差值在10%以內）＼[2＼]；孫偉明等采用整體式模型對預應力混凝土砌塊砌體抗裂性能進行了有限元分析]；李英明等對ANSYS在砌體結構非線性分析中的應用進行了研究，主要對ANSYS砌體非線性分析的迭代方法的選用等一些參數設置進行了比較＼[4＼].

現有的對于砌體進行有限元分析的研究還只是基于某一方面而不具有普遍性一方面這是由于砌體的有限元分析研究時間較短，很多有限元軟件的開發并未針對砌體；另一方面也是由于砌體結構的特殊性，如材料離散性大等增大了分析的難度.在用ANSYS對混凝土砌塊砌體進行非線性分析中，對于剪力傳遞系數取值、打開與關閉壓碎、迭代算法等參數的選取尚有待研究.本文結合實例對這些問題進行探討.

浙江大學進行了足尺墻體的試驗，其試驗墻體尺寸長高寬分別為3 800 mm×2 800 mm×190 mm.在墻體底部采用了截面為400 mm×400 mm的底梁與試驗墻體連接.采用的砌塊主塊尺寸為390 mm×190 mm×190 mm，副塊尺寸為190 mm×190 mm×190 mm，砌塊采用MU10，砌筑砂漿采用M10混合砂漿.本文選用兩片具有代表性墻體進行數值模擬.本文選用試驗墻體編號、類型如表1所示＼[5-7＼].

構造柱尺寸為190 mm×190 mm，構造柱縱向鋼筋為412，箍筋為8@250，圈梁縱向鋼筋為414，箍筋為8@250.構造柱和圈梁混凝土的設計強度等級為C20.在進行有限元分析時，采用整體式模型，將砌體墻視為勻質彈塑性材料，單元尺寸為100 mm，采用力的收斂準則，SOLID65單元的KEYOPT選項中

不考慮形函數的附加項，考慮拉應力釋放、激活分析選項中的自適應下降、線性搜索、自動載荷步（自動時間步長）和預測等功能來加強收斂.本文砌塊墻考慮3種材料：混凝土、鋼筋、砌塊墻.對構造柱、圈梁、砌塊墻體都采用SOLID65單元.混凝土材料的本構關系采用多線性等向強化模型MISO，鋼筋采用雙線性等向強化模型BISO.對于砌體本構關系，本文選用劉桂秋提出的本構關系＼[8＼].

文獻＼[9＼]指出剪切破壞時，由于應力分布的不均勻所導致的截面不能被充分利用，使足尺墻體的抗剪強度低于《砌體結構設計規范》（GB5003-2001）材性試驗得到的抗剪強度計算指標，并進一步根據我國過去進行的墻體抗剪試驗中的數據得到不施加法向荷載情況下實測足尺的墻體抗剪強度約為材性試驗取值的0.32～0.68.本文進一步得出在軸壓比為0時，墻體抗剪承載力約為規范材性試驗取值的0.33～0.65.軸壓比為0.2時，墻體抗剪承載力約為規范材性試驗取值的0.45～0.93（Wall24除外）.軸壓比為0.4時，墻體抗剪承載力約為規范材性試驗取值的0.48～0.97.軸壓比為0.6時，墻體抗剪承載力約為規范材性試驗取值的0.51～1.04.軸壓比為0.8時，墻體抗剪承載力約為規范材性試驗取值的0.19～0.68.所以在進行承載力計算時應考慮應力分布不均布的影響.

3結論

本文利用ANSYS軟件模擬混凝土砌塊砌體結構，結合試驗實例對剪力傳遞系數的取值、打開關閉壓碎、迭代算法等進行了對比，然后對30組不同參數的墻體模型進行了計算，將有限元計算結果和規范抗剪強度直接乘以截面面積得到的承載力公式所計算的結果進行比較，得到以下結論：

1） 墻體裂縫開展與試驗結果吻合較好，利用非線性有限元可以較好地模擬，能較好滿足理論分析及工程實際要求.

2） 有限元分析中的剪力傳遞系數在0.1～0.5內取值時差別較小，具體取值應進一步分析.

3） 有限元分析中打開壓碎項，所得結果較為準確，關閉壓碎項結果偏差較大.

4） 有限元分析中的迭代算法選用弧長法較NR法墻體抗剪承載力計算結果稍低.

5） 由于應力分布的不均勻所導致的截面不能被充分利用，使足尺墻體的抗剪強度低于砌體抗剪強度指標.在進行承載力計算時應考慮截面應力分布不均勻的影響.

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