設置構造柱的磚砌體窗間墻體的彎曲破壞性能分析

韓帥軍高飛河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

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設置構造柱的磚砌體窗間墻體的彎曲破壞性能分析

韓帥軍高飛
河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

摘要:采用ABAQUS有限元分析軟件，對窗間墻及一字墻分別建模，并進行應力分析，得出加載點反力-位移曲線和模型變化云圖，并且和在試驗中設置隔離縫的非窗間墻進行比較。結果表明：帶構造柱磚砌體結構窗間墻在水平荷載作用下發生剪切破壞，而帶隔離縫的窗間墻和一字墻發生彎曲破壞，且非窗間墻較窗間墻延性增大，抗剪承載力降低，抗震性能提高。在房屋施工時可在窗臺墻與窗間墻之間設置通常的豎向隔離縫將二者隔開，使破壞形態由剪切破壞轉變為彎曲破壞，以提高其抗震性能。

關鍵詞:磚砌體；窗間墻；抗震性能；彎曲破壞；有限元

0引言

窗間墻是砌體結構中最小、最薄弱的抗震單元[1]。在強烈地震作用下，與主震方向平行的縱向窗間墻常因抗剪承載力不足而產生“X”形裂縫，從而發生剪切破壞。但是砌體結構在地震作用下發生的彎曲破壞表現為抗震性能好，延性大，損壞輕，易修復等特點[2]。鑒于鑒于以上彎曲破壞的優勢，張文芳教授在文獻[3]中提出一種新的抗震減災技術，這種技術避免了整截面脆性剪切滑移，且屈服后延性好。故本文結合免剪破壞砌體結構抗震試驗試件設計,采用ABAQUS通用有限元軟件模擬設置10 mm隔離縫的磚砌體窗間墻W-1，磚砌體窗間墻W-2及一字墻W-3，對比研究二者在豎向荷載和水平荷載作用下的破壞形態和受力特點，得出一些有益成果，為今后砌體結構理論分析、工程設計提供依據。

1有限元建模

1.1計算模型

帶構造柱磚砌體窗間墻W-1總高2 600 mm，厚240 mm，頂底梁分別高400 mm、450 mm，窗臺墻高1 000 mm，窗間墻中部設置鋼筋混凝土構造柱，尺寸為240 mm×240 mm，構造柱設置馬牙槎，且沿墻片長度方向每隔8皮磚按構造設置拉結鋼筋網片，并貫穿構造柱，用以加強窗間墻的抗震性能。模型W-1在窗臺墻和窗間墻之間設置10 mm的隔離縫，表面用水泥砂漿抹平，設計和配筋如圖1所示。模型窗間墻W-2和W-1基本相同，唯一不同的是沒有在窗臺墻和窗間墻之間設置隔離縫。模型墻W-3與W-1的窗間墻部分相同。模型墻體采用燒結普通磚，墻片的材料強度等級為:普通磚為MU15，砂漿為M10，混凝土為C30。模型圖如圖1所示。

圖1計算模型

這里采用ABAQUS軟件進行非線性有限元分析，建立模型墻體W-1與W-2和W-3作對比研究。對墻體進行有限元建模分析的時候，一般采用整體式模型和分離式模型兩種。目前，人們對磚和砂漿的材料性能研究很少，且對磚與砂漿之間的摩擦、黏結滑移研究更少，所以在對磚墻進行有限元建模時采用整體式模型，鋼筋采用分離式方法。混凝土構造柱及頂底梁采用普通的三維模型，并賦予混凝土截面屬性。鋼筋采用桁架單元，建好的箍筋和縱筋的鋼筋骨架分別賦予鋼筋截面屬性，然后將鋼筋骨架嵌入到混凝土柱中。混凝土強度等級為C20，容重為25 kN/m3，密度為2 548 kg/m3，彈性模量為25 500 MPa，泊松比為0.2。選用燒結普通磚強度等級為MU10，砌筑用混合砂漿強度等級為M10，分析過程采用整體式考慮法，即將燒結普通磚與砂漿看作一個整體，忽略材料之間性質的不同，容重為19 kN/m3，密度為1 937 kg/m3，彈模量分別為210 000 MPa及200 000 MPa，泊松比為0.25。

1.2材料本構模型

所用砌體受壓應力-應變[4]關系為:

式中，ε0為應力峰值點B對應應變值。應力-應變曲線如圖2，利用上式求得砌體本構，扣除砌體彈性應變的塑性應力-應變曲線后，作為最終本構輸入。

混凝土單軸受拉應力-應變[5]關系為:混凝土單軸受壓應力-應變[5]關系為:

式中，dt、dc為混凝土單軸受拉、壓演化系數。將混凝土受拉、受壓應力-應變曲線示意圖繪于同一坐標系中，但取不同比例。符號取“受拉為負、受壓為正”，如圖3。利用上式求得混凝土本構，扣除混凝土彈性應變的塑性應力-應變曲線后,作為最終本構輸入。

圖2普通磚砌體受壓應力-應變曲線

圖3混凝土單軸應力-應變曲線

1.3模型設計

在磚砌體墻片上作用的荷載分為豎向均布荷載和水平位移作用，施加步驟為:先在鋼梁頂面施加σ0=0.6 MPa豎向均布荷載,作為面荷載輸入,且在整個分析過程中保持不變,然后在鋼梁中部施加水平位移至50 mm，并在底梁施加x、y、z三個方向的約束，用來模擬墻體的實際約束情況，如圖4（左）所示。

為提高分析效率。所有材料類型均設為各項同性，鋼筋定義約束采用嵌入式，其他采用約束（tie），混凝土采用損傷塑性，其膨脹角取30°，偏心率取0.1，fb0/fc0取1.16，k取0.6667，黏度參數取0.0003，砌體采用塑性。模型示意圖見圖4。鋼梁對墻體加載原因如下:

1）使墻體受力均勻，避免加載點在模擬過程中出現局部破壞，得出正確可用的反力-位移曲線。

2）水平位移通過鋼梁對墻體施加彎矩，使墻體受力更接近地震作用下底層墻體的實際受力情況。

圖4荷載（左）與模型(右)示意圖

2結果分析

2.1墻體破壞分析

由W-2、W-3應力云圖（見圖5）可知:設置中部構造柱的磚砌體結構窗間墻W-2在水平荷載作用下，首先在中部構造柱及窗角處出現應力，隨著水平荷載的加大，窗角處應力開始向中部構造柱及窗下墻延伸，且基本呈45°方向，直至破壞。中部構造柱有效集中了一部分最大應力，也一定程度上提高了墻體的延性及變形能力。除此之外，最大應力還斜向分布于窗間墻及窗臺墻上，出現X型裂縫。設置中部構造柱的磚砌體結構非窗間墻W-3在水平作用下，最早出現應力的是在墻底兩側及構造柱底部，并且隨著水平荷載的增加，墻底兩側應力逐漸增大，并由兩側向中部延伸，基本沿水平分布，直至破壞。在墻體底部出現局部最大應力，表現為彎曲破壞形態。

W-1首先在窗間墻兩側墻角處出現若干明顯的斜向裂縫，接著窗間墻底部附近出現水平裂縫，并且延伸至構造柱底部。隨后兩側墻角處磚砌塊被壓裂，不時掉落碎磚碎渣。繼續增加荷載，以致兩側磚塊最后被完全壓酥，碎磚塊大量塌落，中部構造柱鋼筋屈服，最終該試件破壞。

圖5模型應力云圖

對比二者的破壞過程和破壞形態，可以看出:從破壞形態上看，W-1和W-3具有明顯的彎曲破壞特征。W-1是兩側墻角處的磚塊受壓壓碎破壞，中部構造柱鋼筋發生屈曲。W-3是在受拉墻底兩側產生并發展的水平貫通裂縫,最后墻角處被壓碎，中部構造柱鋼筋被拉彎破壞。W-2是明顯的剪切破壞特征，由于抗剪強度不足出現了明顯的X型裂縫。

2.2墻體延性分析

本文從墻體延性及抗剪承載力的角度來考察隔離縫對墻體抗震性能的影響,采用墻體荷載-位移曲線上斜率變化最大的點為墻體的屈服點。各模型的ABAQUS分析結果見表1，各模型在垂直和水平荷載作用下的反力-位移曲線見圖6。

圖6模擬墻體反力-位移曲線

由表1及圖6可以看出:由于模擬不足的原因，模型W-1的開裂荷載、最大承載力和極限承載力均要比模型W-2和W-3的小。W-2的極限承載力要比W-3提高了17%，但是延性系數卻比W-3小。

可以看出，由于W-1設置了隔離縫的原因，該墻體實質上與一字墻W-3一樣，因此在相同條件下窗間墻W-2發生了明顯的剪切破壞，而W-1和W-3發生了彎曲破壞，承載力雖然有所降低，但延性及變形能力大大提高，現出較好的抗倒塌能力。

3結論

這里借助ABAQUS有限元分析軟件，在水平及豎向荷載作用下，對中部設置隔離縫的帶構造柱式縱向獨立窗間墻、磚砌體窗間墻及一字墻的破壞形態及抗震性能進行了分析比較，得出以下結論:

1）可在窗臺墻與窗間墻之間設置通常的豎向隔離縫，將窗間墻轉化為非窗間墻，破壞形態由剪切破壞變為彎曲破壞，以提高其抗震性能。

2）設置隔離縫的窗間墻較一般墻抗剪承載力有所降低，但延性大幅提高，抗倒塌能力提高。

表1各模型的ABAQUS分析結果

參考文獻:

[1]張文芳.砌體墻的面內受彎損壞形態及其抗震優勢實例剖析[J].土木工程學報,2010,43(增):130- 135.

[2]張文芳,馬軍衛,常建蘭.恒壓受彎無筋砌體承重墻的受彎能力歷經過程特征研究[J].工程力學,2012,6:202- 210.

[3]太原理工大學.免剪切破壞型抗震抗倒砌體建筑及其建造方法:中國200810079314.X[P].2009- 02- 04.

[4]呂偉榮,施楚賢.普通磚砌體受壓本構模型[J].建筑結構學報,2006,11:77- 79.

[5] GB 50010- 2010,混凝土結構設計規范[S].中國建筑工業出版社出版,2010.