配筋砌體墻混凝土框架內力分析與裂縫模擬★

姜俊銘

(西安交通大學，陜西西安 710049)

0 引言

空心磚砌塊或輕質混凝土砌塊常作為圍護構件應用于框架結構中，以滿足建筑功能的需要。填充墻的存在改變了框架結構的各種性能指標，使結構的整體變形和位移較純框架有較大不同。不同的墻框連接形式、不同的填充墻構造又會有不同程度的影響。文獻［1］～［3］著重分析了配筋砌體墻框架中墻、框不同連接方式對結構承載力、延性、耗能特性、抗震性能的影響;文獻［4］［5］分析了砌體填充墻對框架結構抗震性能的影響及研究現狀。

本文在前人研究基礎上，利用有限元方法，通過改變填充墻的具體構造，對含有空心砌塊、實心砌塊、配筋砌塊的混凝土框架建立有限元模型，研究內容主要是:1)分析其對框架結構承載能力及延性的影響方面的變化規律;2)各種形式填充墻框架的混凝土開裂和破壞情況。

1 數值模擬

1.1 模型的建立及材料性能

本文所取模型是參照文獻［4］中的試驗模型而建，共建立4榀足尺的鋼筋混凝土框架，分別是空框架、空心砌塊填充墻框架、實心砌塊填充墻框架、配筋砌體填充墻框架，各模型框架部分的設計完全相同，不同之處在于內嵌墻體的構造。模型設計參數如表1所示，框架部分(未示出墻體)的幾何尺寸及配筋如圖1所示。

圖1 框架幾何尺寸及配筋圖（單位：cm）

對于配筋砌體墻，采用縱橫配筋，其鋼筋部分有限元模型如圖2所示。

圖2 模型配筋圖

框架混凝土設計強度等級C35，砌塊砌體的等級為Mu20，砂漿等級為Mb20。柱的設計軸壓比為n=0.35。

框架梁和柱縱向鋼筋、墻配筋均采用HRB335鋼筋，箍筋采用HPB235鋼筋，其力學性能見表1。

表1 鋼筋力學性能

1.2 約束及加載

本文模型下部鋼梁采用固端約束，柱頂施加豎向均布荷載，在梁左端進行位移和力控制的混合加載。

1.3 有限元參數的設置

本文所選有限元參數與試驗結果吻合良好［6-8］。采用分離式建模，混凝土采用Solid65單元，鋼筋采用Link8單元。不考慮鋼筋與混凝土間的粘結滑移。混凝土的本構模型采用《混凝土結構設計規范》所規定的沒有下降段的混凝土單軸本構關系。砌體是一種非均質、各項異性材料，砌縫是其薄弱環節，對其本構關系及破壞準則進行研究非常困難。目前，ANSYS尚沒有能夠反映砌體受砌縫影響的復雜的剪壓破壞模型，只有參照類似材料的常用破壞準則，通過參數的適當選取來最大限度地模擬砌體的破壞［8］。本文砌體本構模型采用湖南大學劉桂秋未灌芯混凝土砌塊的本構關系。

2 結果與分析

2.1 極限承載力

在水平荷載作用下，4榀框架的極限承載力及延性顯示出很大的差異性，如圖3所示。

圖3 各模型的極限承載力

研究表明，砌體墻的剛度效應極大地影響了框架結構的承載力和延性?？蚣芙Y構承載力的提高很大程度上是由于砌體墻與框架間采用剛性連接，使二者形成一有機整體，共同抵抗水平力。圖3中結構極限承載力數值較大，為弄清其原因，現只改變砌塊和砂漿強度參數，考察結構極限承載力的變化情況，如圖4所示。

圖4顯示，采用強度等級較高的砌塊砌體和砂漿可以顯著提高結構的承載力和延性，由于砌體是脆性材料，因而墻體極限承載力的大小很大程度上取決于砌縫粘結強度的強弱。

圖4 砌塊強度對極限承載力的影響

2.2 混凝土裂縫的發展和變化規律

混凝土裂縫的處理方式有離散裂縫模型、分布裂縫模型和斷裂力學模型。本文有限元模型采用分離式建模，ANSYS采用分布裂縫模型的處理方式，分布裂縫模型也被稱為彌散裂縫模型，其實質是將實際的混凝土裂縫“彌散”到整個單元中［9］。

在進行開裂模擬時，要用到應力釋放?；炷潦軌洪_裂時，材料完全崩裂，應力驟然降為零;受拉破壞時，在垂直于裂縫的方向上應力驟然降為零。采取應力釋放，即可區分混凝土是受壓開裂還是受拉開裂，ANSYS中有專門的應力釋放控制件［10］。

圖5～圖8為ANSYS軟件模擬的混凝土框架、空心砌體墻框架、實心砌體墻框架、配筋砌體墻框架在單調水平荷載作用下的模型開裂情況和表面裂縫分布規律。

圖5a)顯示，空框架在剛開裂時，首先在梁、柱節點處產生豎向壓裂縫，隨著荷載增大，在兩根柱的下端外側相繼出現水平拉裂縫，在梁柱節點受壓區出現更多豎向裂縫。在鋼筋接近屈服時，混凝土梁和柱上均產生較多裂縫，大致分布是在初次開裂的區域單元積分點處在三個垂直方向開裂，同時已經開裂的裂縫出現閉合;在梁、柱中間區域出現較多的45°斜裂縫，在梁、柱邊緣處更多的是水平裂縫和豎向裂縫。同時可以看出，在梁柱節點、柱端截面、柱頂、柱腳破壞最為嚴重(圖中顏色較重區域)，最終框架成為機動體系而破壞(見圖5b))。

圖5 空框架的裂縫開展及分布規律

由圖6表明，砌體墻的加入使得結構的受力和破壞形態與空框架相比有很大不同，砌塊砌體為脆性材料，抗拉和抗壓強度都較低，極易開裂，在初始受力階段成為主要抗側力構件，此時框架所承擔的荷載較少。結構臨近破壞時，砌體墻已出現三個方向的開裂，嚴重損壞。從圖6b)可以看出，在左側柱下端外側開裂最為嚴重，右側柱破壞較輕。

與空心砌體框架相比，空心砌塊灌芯后填充墻的剛度及強度大為增加，墻面沿受壓對角線方向出現一系列的斜裂縫，組成一個裂縫區域斜向條帶，如圖7a)所示，受拉對角線方向上方角部塊體上幾乎沒有裂縫，框架的破壞與空心砌體框架大致相同，表現出了更為明顯的彎曲破壞形態。

圖6 空心砌體框架的裂縫開展及分布規律

圖7 實心砌體框架的裂縫開展及分布規律

圖8顯示，墻體中配有縱橫鋼筋對結構的破壞形式沒有多大影響，文獻［11］指出在一定的豎向配筋下，水平配筋率的提高甚至可以改變破壞形態，這與本文所顯示的現象不太一致。

圖8 配筋砌體框架的裂縫開展及分布規律

2.3 荷載位移曲線

圖9為空心砌體墻框架、實心砌體墻框架、配筋砌體墻框架在水平荷載作用下的結構的荷載位移曲線。

可以看出，墻體與框架的剛度相對值決定了水平荷載的分配。

1)顯示墻體在最初階段承擔荷載較大，隨著墻體開裂，墻逐漸退出工作，柱成為主要抗側力構件;2)中墻體剛度大為增強，后期由于框架對墻體的約束作用，墻依然承擔較大的作用力;3)中墻體中縱橫鋼筋的加入使墻體剛度繼續增大，柱反而成為次抗側力構件，結構顯示出明顯的“強墻弱框架”特性。

圖9 各模型的荷載位移曲線

3 結語

研究表明，改變填充墻的具體構造可以顯著影響結構的極限承載力和延性，具體而言:1)使用高強度的砌塊和砂漿對于提高砌體墻和整個結構的承載力意義重大。2)灌芯砌塊相比于空心砌塊，具有更大的強度和剛度，其提高程度受灌芯混凝土強度等級的影響。3)砌體墻中加入縱、橫向鋼筋可以進一步提高結構的抗側力性能。4)可以根據實際要求控制墻體以及框架強度和剛度的相對強弱，構造“強框架弱墻”或“強墻弱框架”的結構形式，實現不同等級的抗震設防需求。

［1］成立濤.混凝土框架—配筋砌塊砌體結構的協同工作機理［D］.西安:西安交通大學，2011.

［2］蔣歡軍，毛俊杰，劉小娟.不同連接方式砌體填充墻鋼筋混凝土框架抗震性能試驗研究［J］.建筑結構學報，2014，35(3):60-67.

［3］付 靚.混凝土框架—配筋砌塊砌體混合結構組合單元抗震性能模擬研究［D］.西安:西安交通大學，2014.

［4］黃群賢，郭子雄，朱雁茹，等.混凝土空心砌塊填充墻RC框架抗震性能試驗研究［J］.建筑結構學報，2012，33(2):110-118.

［5］吳兆旗，姜紹飛.填充墻對框架結構抗震性能影響分析［J］.建筑，2009(2):46-48.

［6］張衛東，王振波.基于ANSYS的鋼筋混凝土框架試驗及有限元分析［J］.江南大學學報(自然科學版)，2002，1(1):35-37.

［7］馬建勛，祁星星，張 明.基于ANSYS的框架—配筋砌塊砌體混合結構分析［J］.山西建筑，2012，38(28):32-34.

［8］李英民，韓 軍，劉立平.ANSYS在砌體結構非線性有限元分析中的應用研究［J］.重慶建筑大學學報，2006，28(5):90-96.

［9］王新敏.ANSYS工程結構數值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［10］王 偉.ANSYS 14.0土木工程有限元分析從入門到精通［M］.北京:清華大學出版社，2013.

［11］許祥訓.配筋砌塊短肢砌體剪力墻抗剪性能試驗研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2006.