藏寨石砌體墻抗震及加固性能數(shù)值仿真分析

李 想，孫建剛，王 振，崔利富，劉偉兵

(大連民族大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116650)

目前中國(guó)絕大多數(shù)農(nóng)村住宅均未進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)[1]，而且少數(shù)民族聚居地的農(nóng)村住宅，由于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，住宅存在諸多問題。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)少數(shù)民族地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)形式、抗震性能的研究越來越多，其中以西南多震地區(qū)[2]為主要研究對(duì)象，張先進(jìn)教授[3-4]通過對(duì)汶川大地震進(jìn)行分析，對(duì)藏寨的保護(hù)方法和抗震性能進(jìn)行了探索，結(jié)果表明其民居的抗震性能較為薄[5-7]。本文以藏寨石砌體墻為研究對(duì)象，通過運(yùn)用數(shù)值仿真軟件ADINA，建立藏寨普通石砌體墻[8-9]、單面鋼筋網(wǎng)片加固石砌體墻和雙面鋼筋網(wǎng)片加固石砌體墻的有限元模型，進(jìn)行擬靜力分析，通過對(duì)墻體滯回曲線、骨架曲線、剛度退化曲線和延性進(jìn)行分析，明確其強(qiáng)度、變形能力和耗能能力，為深入研究藏寨石砌體墻的抗震性能和加固方法研究提供理論支撐。

1 石砌體墻有限元模型的建立

1.1 石砌體墻幾何模型

以藏寨碉房墻體為研究對(duì)象，碉房墻體的特點(diǎn)是墻體較厚，上寬下窄。本文選取的墻體模型為內(nèi)直外斜，墻體側(cè)面圖為直角梯形，墻體尺寸為(單位：mm)及其三視圖如圖1。

圖1 墻體三視圖

1.2 石砌體墻材料屬性

打開ADINA材料庫，石材選用DF-Concrete材料模型(更適用于脆性材料的模擬)，黃泥砂漿選用Concrete材料模型。通過實(shí)驗(yàn)得到的石材和黃泥的材料及鋼筋網(wǎng)片參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)表

1.3 石砌體墻單元的選取和有限元模型的建立

1.3.1 普通石砌體墻

普通石砌體墻的石塊和黃泥均采用8節(jié)點(diǎn)3D實(shí)體單元。基于有限元離散隨機(jī)分布的思想，對(duì)石材與黃泥砂漿按3:1的比例進(jìn)行隨機(jī)分布，得到離散型的普通石砌體墻的有限元模型如圖2，其中黃泥砂漿單元有限元模性模型如圖3，石材單元有限元模性如圖4。

圖2 普通墻體有限元模型

圖3 黃泥砂漿單元

圖4 石材單元

1.3.2 加固石砌體墻

加固石砌體墻模型分單面鋼筋網(wǎng)片加固和雙面鋼筋網(wǎng)片加固兩種，鋼筋選用rebar單元，加固石砌體墻的物理參數(shù)與普通石砌體墻一致，只是加固石砌體墻比普通石砌體墻模型多了鋼筋網(wǎng)片單元，如圖5。

(a) 單面加固鋼筋網(wǎng)片 (b) 雙面加固鋼筋網(wǎng)片

1.4 加載機(jī)制

依照《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》(JGJ140-2015)[10]對(duì)試驗(yàn)加載方法的規(guī)定，設(shè)計(jì)藏寨石砌體墻模型的加載方式。計(jì)算得出對(duì)墻體施加豎向恒載為55 kN。在墻體頂部施加水平往復(fù)的荷載，并保持加載的連續(xù)性和均勻性，加載機(jī)制如圖6。

圖6 水平加載機(jī)制

2 藏寨石砌體墻數(shù)值仿真分析

2.1 滯回曲線

普通石砌體墻和加固石砌體墻在往復(fù)荷載作用下，得出滯回曲線如圖7。

由圖7可見單面加固石砌體墻和雙面加固石砌體墻的滯回曲線所圍成的面積比普通石砌體墻的滯回曲線所圍成的面積有較大提高，說明單面加固和雙面加固后的石砌體墻的耗能能力得到了不少提升，其中采用雙面加固的石砌體墻提高得更多，且單面加固的石砌體墻屬于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以在低周往復(fù)荷載作用下極易倒塌破壞，而采用雙面加固的墻體在整個(gè)加載過程中仍能保持一定的承載能力。

(a)普通石砌體墻滯回曲線 (b)單面加固石砌體墻滯回曲線 (c)雙面加固石砌體墻滯回曲線

2.2 骨架曲線

把滯回環(huán)曲線上每次循環(huán)的峰值點(diǎn)連接起來得到藏寨石砌體墻骨架曲線如圖8。

圖8 石砌體墻骨架曲線

對(duì)比普通石砌體墻和兩種加固石砌體墻骨架曲線可知，普通石砌體墻在開裂前曲線基本為直線，開裂后有明顯的拐點(diǎn)，而單面加固石砌體墻和雙面加固石砌體墻的開裂荷載明顯提高，雙面加固石砌體墻開裂荷載最高，約為普通石砌體墻開裂荷載的一倍，表明加固墻體能有效的提高墻體承載能力。

2.3 剛度退化

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在位移不斷增大時(shí)，剛度不斷減小，這種情況即剛度退化。本文將割線剛度取為等效剛度，得出普通石砌體墻的剛度退化曲線和加固石砌體墻的剛度退化曲線如圖9。

(a)普通石砌體墻剛度退化曲線 (b)單面加固石砌體墻剛度退化曲線 (c)雙面加固石砌體墻剛度退化曲線

從圖9中可以看出雙面加固石砌體墻的剛度退化較單面加固石砌體墻和普通石砌體墻的都要緩慢，這說明在墻體進(jìn)入屈服后雙面加固石砌體墻的剛度要比單面加固石砌體墻和普通石砌體墻的好。

2.4 延性

結(jié)構(gòu)的延性是指結(jié)構(gòu)在承載力沒有明顯下降時(shí)，能夠承受變形的能力。它在抗震設(shè)計(jì)時(shí)占有很重要的地位，是評(píng)估結(jié)構(gòu)抗震性能的一個(gè)重要指標(biāo)。將石砌體墻的位移延性系數(shù)μ見表2。

表2 藏寨石砌體墻的位移延性系數(shù)

注：μ=δu/δy，δu表示結(jié)構(gòu)的極限位移，δy表示結(jié)構(gòu)的屈服位移

從表2中可以看加固石砌體墻的的延性系數(shù)比普通石砌體墻高，雙面加固石砌體墻的位移延性系數(shù)最高，約為普通石砌體墻的1.68倍，而單面加固石砌體墻的延性系數(shù)僅為普通石砌體墻的1.05倍。表明加固鋼筋網(wǎng)片和墻體發(fā)生相互作用使得墻體的變形能力提高，且雙面加固石砌體墻要要優(yōu)于單面加固石砌體墻，證明采用鋼筋網(wǎng)片的加固方式是有效的。

3 結(jié) 論

本文以藏寨石砌體墻為研究對(duì)象，通過建立普通石砌體墻和加固石砌體墻有限元模型，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值仿真分析，結(jié)果表明：普通石砌體墻的抗震性能明顯低于單面加固石砌體墻和雙面加固石砌體墻，且雙面加固石砌體墻的耗能性能、極限承載能力、剛度退化性能和延性明顯優(yōu)于普通石砌體墻和單面加固石砌體墻；雙面鋼筋網(wǎng)片加固方法能顯著提高石砌體墻的抗震性能，固有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。