基于ANSYS有限元仿真的再生混凝土砌塊砌體墻抗震性能研究

朱雅婷，唐 浩，周 旸

(1. 天津城建大學，天津300384；2. 天津華匯工程建筑設計有限公司，天津300384)

土木工程

基于ANSYS有限元仿真的再生混凝土砌塊砌體墻抗震性能研究

朱雅婷1，唐 浩1，周 旸2

(1. 天津城建大學，天津300384；2. 天津華匯工程建筑設計有限公司，天津300384)

為了定性研究再生混凝土開孔砌體的抗震性能，利用 ANSYS軟件對再生混凝土砌塊砌體墻建立了仿真模型，針對再生混凝土砌塊砌體墻在孔洞狀況下施加水平低周反復荷載的三種情況、在孔洞狀況下存在豎應力狀況的兩種情況、在孔洞狀況下設有芯柱時的一種情況分別進行了仿真計算和分析；并將仿真結果與再生混凝土無孔狀況進行了比較，從比較結果來看，模型能夠定性分析再生混凝土砌塊砌體墻的狀態，為進一步利用該模型研究再生混凝土砌塊砌體墻的工況提供了指導．

再生混凝土，砌體墻，抗震

再生混凝土是指將廢棄的混凝土塊經過破碎、清洗、分級后，按一定比例與級配混合，部分或全部代替砂石等天然集料(主要是粗集料)，再加入水泥、水等配比而成的新混凝土[1-3]．由于集料的形狀和表面特征對混凝土性能有影響，通常來說當呈現立方體或球狀顆粒且表面光滑時，對新拌混凝土的流動性有利，但與水泥石的黏結較差．而再生集料表面由于都包裹著砂漿，因此表面粗糙，這對提高與水泥石的黏結有利，但對于新拌混凝土的流動性不利，還會增加水泥的用量．且由于材料存在先天缺陷，其受力性能較為復雜[4]，為再生混凝土的推廣使用造成限制．

我國是一個資源短缺、粗放經營的資源消費大國，這必將導致建筑資源的匱乏，因此對再生混凝土的受力性能進行研究，具有十分深遠的意義．當前，對于采用再生混凝土砌塊進行砌筑時，國內外學者已經進行了大量關于不同構造的再生混凝土砌塊砌體墻的抗震性能研究[5-6]，但在以往的研究中，研究目標主要集中于對再生混凝土無孔靜力受載情況進行研究，而少有對開孔墻體抗震性能的研究．而開孔砌體結構在建筑學上極為常見，因此，本文嘗試以有限元對開孔再生混凝土砌體結構進行定性分析，以實現對帶窗洞墻體在不同情況下的抗震性能進行研究．

1 仿真模型的建立

為了研究再生混凝土抗震性能，本文首先利用有限元軟件 ANSYS10.0建立非線性有限元砌體模型，由于磚與砂漿接觸面之間的黏結滑移關系研究目前尚不成熟，因此接觸面的黏附強度難以獲得．為了計算方便，仿真模型采用將砂漿和砌塊作為一個連續整體來進行考慮而不再分別進行建模[7]．

1.1 模型尺寸

試件由底梁、墻體、頂梁和構造柱四部分組成．模型墻體長度和高度分別為2,150、1,250,mm，厚度 250,mm；采用 MU10級再生混凝土砌塊，基本尺寸為390,mm×240,mm×190,mm，使用M10級普通水泥砂漿砌筑．底梁截面高 300,mm，寬350,mm，由 C20普通混凝土澆筑成型，縱筋 8φ16，箍筋雙肢箍φ6@200．頂梁作為加載梁，截面積250,mm×160,mm，由C20普通混凝土澆筑成型，縱筋 4φ10，箍筋雙肢箍φ6@200．構造柱截面為250,mm×120,mm，由C30普通混凝土澆筑成型，縱筋 4φ10，箍筋雙肢箍φ6@200，為表述方便，該模型起名為RW-0．

1.2 模型基本參數設置

利用 ANSYS進行建模時，連續整體性砌體模型可采用 solid65模擬，因為其具有處理塑性、膨脹、徐變、應力剛化以及大變形和大應變的能力，且可以考慮三個方向的配筋，鋼筋則采用LINK8單元模擬．為了迭代方便，砌體與鋼筋之間不必考慮黏結滑移．由于當前關于砌體合適的彈塑性本構關系至今尚無一個被廣泛認可的砌體應力應變關系及破壞準則，彈塑性本構關系通常有三部分：屈服準則、流動法則和強化規律．砌體的屈服準則可以考慮使用巖石工程中廣泛使用的DP準則或ANSYS專門為鋼筋混凝土單元solid65開發的CONCRETE材料準則[8-9]．

本文采用DP屈服準則，DP準則假設材料為理想彈塑性，無強化規律；流動法則使用不相關流動法則，即膨脹角f?取 0，另需輸入兩個相關參數，分別為黏聚力C、內摩擦角?，由于

可計算獲得黏聚力C和內摩擦角?，其中

式中：σc和σt按照試驗實測選取，取σt為 0.1,σc，計算得到 C＝237,452,MPa，φ=60.42°．其余參數通過查閱規范可得，見表1．

表1 相關材料屬性

2 仿真結果

再生混凝土形成的砌塊砌體墻的抗震性能受到諸多因素影響，本文主要對開洞大小、豎向壓應力及設置芯柱3個因素進行分析．

2.1 開洞參數設置

在試件W-4墻體的基礎上，在仿真模型上設置洞口．洞口尺寸共設置 3種情況，以考察帶窗洞墻體在不同情況下的抗震性能．3種情況分別為：1,150,mm×800,mm(RW-1)、800,mm×800,mm (RW-2)、400,mm×750,mm(RW-3)．對試件在豎向壓應力 0.8,MPa條件下，施加水平低周反復荷載．按規則 6面體劃分單元后進行仿真計算，具體建模情況如圖1所示．

圖1 開孔建模情況

經 ANSYS仿真計算，獲得三種情況的荷載位移曲線，如圖2所示．

圖2 荷載位移曲線

三種情況下 ANSYS的荷載及其對應的位移情況比較如表2所示．表中：Fui、Fxi、Δui分別表示各仿真狀況下構件的極限荷載、最終荷載和極限荷載下的位移，無孔洞狀態為“0”．

表2 各墻體的荷載和位移計算值及對比

由圖2可知，各仿真構件在加載初期時處于彈性階段；隨著洞口水平尺寸增大，墻體的極限承載力隨之下降，但各曲線的下降段都比較平緩，墻體延性較好，應當是由于兩側的構造柱對墻體起到了良好的約束作用．

表2中同時給出了洞口水平尺寸大小相對于各墻體極限承載力的影響及其對應位移的影響．三種受試情況中洞口面積占各墻體凈面積比例分別為52.05%,、31.26%,、12.57%,，顯然其極限承載力的下降幅度，并不與孔洞尺寸的大小呈線性相關關系，而是下降的要更快一些，這也和實驗結果相符合；此外可以看出，隨著洞口水平尺寸的變化，各墻體狀況的極限承載力所對應位移也會有所改變，但其變化幅度卻很?。?/p>

2.2 豎向壓應力參數設置

砌體墻的豎向壓應力對抗震性能有重要影響．考慮到再生混凝土砌塊自身強度，對砌體墻上設有 1,150,mm×800,mm 孔洞狀態下，再設置0.4,MPa(RW-4)、0.6,MPa(RW-5)這兩種豎向壓應力情況進行荷載位移仿真．經仿真運算后，獲得各墻體荷載位移曲線如圖3所示．

圖3 豎向壓應力荷載位移變化

不同豎向壓應力下各墻體的計算結果如表3所示，其中：Fui、Fxi、Δui分別表示各仿真狀況下構件的極限荷載、最終荷載和極限荷載下的位移．

表3 各墻體的荷載和位移計算值對比

由仿真結果進行分析，在不同豎向壓應力下，砌體墻的荷載位移曲線在加載初期均基本呈線性關系；當位移達到一定值，表明砌體墻開裂，墻體開裂后，位移呈現出非線性上升；各墻體的極限承載力及其對應位移比較值差別不大；當達到極限承載力后，各位移曲線的下降速度也基本相同，隨后趨于平緩[10-11]．

由表3中數據可以看出，墻體的極限承載力及其對應位移隨著豎向壓應力的增大均會有所改變，但變化幅度不大．

2.3 芯柱參數設置

為了研究在窗洞兩側設置芯柱對再生混凝土砌塊砌體墻抗震性能的影響，對砌體墻上設有1,150,mm×800,mm孔洞狀態下，在其孔洞兩側設置直徑110,mm芯柱，內配1φ12通長縱筋進行實驗，其芯柱混凝土由 C30普通混凝土澆筑成型．兩者的荷載位移曲線對比如圖4所示．

圖4 設置芯柱荷載位移變化

RW-0和 RW-6根據位移計算公式得出兩者的計算結果如表4所示．

表4 各墻體的荷載和位移計算值對比

由圖4看出，兩墻體在加載初期均呈現線性關系，且荷載位移曲線差距不大；但設置芯柱后墻體的極限承載力明顯提高，且對應位移極限點有明顯提高；達到極限承載力后，設有芯柱墻體的曲線下降速度稍快于未設芯柱墻體的速度，但總體來看承載能力明顯增加．

3 結 論

本文運用 ANSYS對再生混凝土砌塊砌體墻進行了建模，并設置了各種狀況進行了仿真計算，由仿真結果可以得出以下結論．

(1)進行砌體極限承載力分析時，采用整體連續體模型比分離模型精度稍差，但分離模型計算量大，不適用于實驗結果計算，建議采用整體連續體模型．處理砌體的建模、材料本構和破壞準則等問題，利用 ANSYS計算砌體結構的非線性有限元分析應是可行的．

(2)當再生混凝土砌塊砌體墻上開有孔洞時，其極限承載力會隨著孔洞尺寸的變化而發生改變，但是其下降的幅度不與孔洞尺寸的大小呈線性相關關系，墻體狀況的極限承載力所對應位移不會發生太大改變，雖然變化幅度不大，但建議孔洞盡量不要開的太大．

(3)當再生混凝土砌塊砌體墻上所開的孔洞尺寸一定時，砌體墻的極限承載力并不會隨著對其施加的豎應力的大小而發生明顯改變，證明在再生混凝土砌塊砌體墻上開洞，極限承載力不會受豎應力影響，也不會影響它的抗震性能．

(4)當再生混凝土砌塊砌體墻上所開的孔洞設有芯柱時，會明顯提高墻體的極限承載力，所以孔洞中設有芯柱可以提高砌體墻的抗震能力．

對再生混凝土砌塊砌體墻進行建模分析，通過各項數據對比，能夠較好地定性分析再生混凝土砌塊砌體墻在各種條件下的不同狀態，為進一步研究再生混凝土砌塊砌體墻的工作情況提供了基礎．

我國城市每年產出的垃圾約為 60億 t，其中建筑垃圾占 24億 t左右，已達到了城市垃圾總量的40%,，而地震過后更會產生大量的建筑垃圾，其中廢混凝土塊、廢磚瓦、廢砂漿占到了絕大部分．如果能將建筑垃圾資源化再利用，突破技術盲點，克服傳統材料自身的局限性，提高建筑的抗震性能，防止災害的再次發生，則可解決震后廢棄物處理和工程建設材料缺乏的雙重難題．再生混凝土技術的研究能夠在災害發生后將原有混凝土材料回收再利用，不但可以解決建筑廢棄物的處理問題，還能變廢為寶，將其運用到再建設的過程中，既保護環境又節約資源，可對我國災后重建工作提供更多的可行性方案．

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Research of Seismic Performance of Recycled Concrete Block Masonry Wall Based on ANSYS Finite Element Simulation

ZHU Yating1，TANG Hao1，ZHOU Yang2
(1. Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2. Tianjin Huahui Engineering & Architectural Design Co.，Ltd.，Tianjin 300384，China)

Openings to the qualitative study of recycled concrete masonry seismic performance, by using ANSYS software of recycled concrete block masonry wall, a simulation model is established in the study. In view of the recycled concrete block masonry wall under the hole conditions of three horizontal low cyclic loading conditions, the condition of vertical stresses are presented in a hole condition under the two cases, the condition of the hole of a core column when a situation has been carried out on the simulation calculation and analysis, and the simulation results are compared with those of the recycled concrete with no hole condition, from the point of the simulation results, the model is good for the state of the qualitative analysis of recycled concrete block masonry wall, for the further study of recycled concrete block masonry wall is obtained by using the model of the working condition and providing

on the basis.

recycled concrete；masonry walls；seismic

TU352.11

A

2095-719X(2016)05-0325-04

2015-05-17；

2015-12-05

國家自然科學基金(51208334)；天津市自然科學基金(14JCQNJC7800)

朱雅婷（1988—），女，新疆克拉瑪依人，天津城建大學碩士生.