不同高寬比下自保溫榫式砌塊灌芯砌體墻抗震性能數(shù)值模擬研究*

徐 云

(上海寶冶集團有限公司，上海 200941)

0 引言

自保溫榫式砌塊是新型輕骨料混凝土砌塊，具備良好的保溫隔熱性能，是節(jié)能型墻體材料，如圖1所示。由自保溫榫式砌塊砌筑而成，并在砌塊孔洞灌注輕骨料混凝土的墻體為新型灌芯砌體結構，對該墻體的研究較少。路軍[1]利用有限元軟件ABAQUS對超限配筋砌塊砌體剪力墻建立數(shù)值模型，通過對比實測周期與振型，驗證了模型的正確性，并對結構在6度多遇地震作用下的彈塑性時程反應進行了分析，評估了結構抗震性能；李利剛[2]對6片砌塊整澆墻進行了低周往復水平荷載試驗，通過恢復力特性分析，得到了墻體特征變形、特征承載力、耗能能力、剛度退化參數(shù)、延性系數(shù)等抗震性能指標；陳良[3]通過2片N式砌塊配筋砌體剪力墻在低周往復水平荷載作用下的試驗研究，對墻體極限承載力、初始剛度、剛度退化曲線、延性比和開裂轉角等重要抗震性能指標進行了研究；張秀亮[4]對8種不同構造措施的長臂配筋砌塊剪力墻抗剪性能進行了有限元分析，研究了不同灌芯率、芯柱混凝土強度、洞口尺寸對配筋砌塊砌體墻的影響；李平[5]采用微觀有限單元法對配筋砌塊砌體剪力墻進行了分析，討論了不同高寬比、灌芯率和水平鋼筋配筋率對剪力墻抗剪承載力的影響。

圖1 自保溫榫式砌塊

高寬比是影響墻體抗震性能的重要指標之一[6-9]。依托自保溫榫式砌塊灌芯砌體墻進行低周往復水平荷載作用下的試驗結果，本文利用有限元軟件MSC.Marc對墻體進行數(shù)值模擬分析。在數(shù)值模擬分析結果與試驗結果吻合程度較高的前提下，將試件高寬比由1.875改為1.250，0.938，進行數(shù)值模擬分析。由恢復力特性分析得到墻體破壞形態(tài)、滯回曲線與骨架曲線、剛度退化與延性系數(shù)等抗震性能指標分別進行對比，研究高寬比對自保溫榫式砌塊灌芯砌體墻抗震性能的影響。

1 試驗與數(shù)值模擬分析對比

建立自保溫榫式砌塊灌芯砌體墻有限元模型時，將自保溫榫式砌塊、混合砂漿及陶粒混凝土作為整體結構，即灌芯砌體，采用shell75殼單元模擬。將鋼筋作為獨立單元，采用truss9桁架單元模擬。

經實測得到數(shù)值模擬分析所需的灌芯砌體等效塑性應力-應變曲線，扣除彈性階段應變[10]，彈性模量為3 010MPa，泊松比為0.191。HPB300鋼筋采用等效塑性應力-應變曲線[11]。灌芯砌體與鋼筋均采用Von Mises屈服準則，砌體墻試驗骨架曲線如圖2所示，數(shù)值模擬骨架曲線如圖3所示，圖中推力為正，拉力為負。

圖2 試驗骨架曲線

圖3 數(shù)值模擬骨架曲線

試驗結果表明，砌體墻正、反向開裂荷載分別為32.51，-32.30kN，正、反向開裂位移分別為2.06，-2.04mm，正、反向極限承載力分別為48.60，-49.80kN，正、反向破壞位移分別為15.99，-16.35mm。

數(shù)值模擬分析結果表明，砌體墻正、反向開裂荷載分別為36.75，-37.52kN，正、反向開裂位移分別為2.0，-2.0mm，正、反向極限承載力分別為49.78，-50.41kN，正、反向破壞位移分別為15.00，-15.50mm。

由上述結果可知，數(shù)值模擬分析得到的砌體墻正、反向開裂荷載與試驗得到的開裂荷載相差約15%，正、反向開裂位移相差約3%，正、反向極限承載力相差約3%，正、反向破壞位移相差約5%。對比砌體墻特征荷載、特征位移等，可知數(shù)值模擬分析與試驗結果吻合程度較高。

2 高寬比影響分析

在墻體高度為1 500mm的情況下，根據實際砌塊尺寸改變墻體寬度，以改變高寬比。制作試驗模型時，采用2塊砌塊，砌筑寬度為800mm，高寬比為1.875。數(shù)值模型寬度分別取800，1 200，1 600mm，對應的高寬比分別為1.875，1.250，0.938。數(shù)值模型其他參數(shù)設置與試驗模型相同。

圖5 砌體墻反向破壞形態(tài)

2.1 破壞形態(tài)

數(shù)值模擬分析得到不同高寬比下砌體墻破壞形態(tài)，如圖4，5所示。由圖4，5可知，不同高寬比下，砌體墻正、反向破壞形態(tài)均表現(xiàn)為墻底角部受壓破壞，且均表現(xiàn)出彎曲破壞特征，但隨著高寬比的減小，破壞范圍由角部逐漸向中部擴展，可知當高寬比<0.938時，可能發(fā)生彎剪破壞或剪切破壞，這與一般墻體受地震作用的實際破壞形態(tài)相同。因此，對此類新型墻體進行抗震設計時，對易破壞部位進行加強處理時，可參考相關成熟的砌體墻研究成果。

圖4 砌體墻正向破壞形態(tài)

2.2 滯回曲線與骨架曲線

數(shù)值模擬分析得到不同高寬比下砌體墻滯回曲線與骨架曲線，如圖6，7所示。由圖6可知，不同高寬比下砌體墻滯回曲線均較對稱，均表現(xiàn)出了“捏縮”效應。高寬比越大，滯回環(huán)越偏向于橫坐標軸(位移軸)，變形越大；高寬比越小，滯回環(huán)越偏向于縱坐標軸(荷載軸)，承載力越大。

圖6 砌體墻滯回曲線

由圖7可知，隨著高寬比的減小，砌體墻骨架曲線越偏向于縱坐標軸(荷載軸)，承載力提高；隨著高寬比的增大，砌體墻骨架曲線越偏向于橫坐標軸(位移軸)，承載力降低。

圖7 砌體墻骨架曲線

2.3 位移延性系數(shù)與剛度退化

由于延性系數(shù)與剛度退化均可由特征荷載與特征位移得到，因此首先確定不同高寬比下砌體墻特征荷載與特征位移。在砌體墻骨架曲線的基礎上，采用文獻[12]中的“通用屈服彎矩法”得到不同高寬比下砌體墻屈服荷載與屈服位移，其中正向骨架曲線確定的特征荷載與特征位移如表1所示。由表1可知，砌體墻特征荷載均隨著高寬比的減小而增大,高寬比的改變對砌體墻特征位移的影響較小。當高寬比為1.875時，砌體墻可承受的最大地震作用為49.78kN；當高寬比為1.250時，砌體墻可承受的最大地震作用為104.89kN；當高寬比為0.938時，砌體墻可承受的最大地震作用為178.91kN。在高寬比變化較小的情況下，砌體墻極限承載力變化較大，可知高寬比對砌體墻極限承載力的影響較大。

表1 砌體墻特征荷載與特征位移

本研究自保溫榫式砌塊灌芯砌體墻屬于懸臂構件，可采用位移延性系數(shù)評價其延性。高寬比為1.875，1.250，0.938時的砌體墻位移延性系數(shù)分別為5.17，5.02，4.93，可知位移延性系數(shù)隨著高寬比的增大而增大，說明高寬比越大，砌體墻延性越好，在地震作用下越表現(xiàn)為延性破壞，抗震效果越好。

研究剛度退化時采用折算剛度(砌體墻頂部水平力與水平位移比值)。砌體墻開裂前處于彈性階段，不考慮剛度退化，因此從砌體墻開裂后考慮剛度退化。不同高寬比下砌體墻剛度退化曲線如圖8所示。

圖8 砌體墻剛度退化曲線

由圖8可知，當高寬比為0.938時，砌體墻初始剛度為75kN/mm左右；當高寬比為1.250時，砌體墻初始剛度為40kN/mm左右；當高寬比為1.875時，砌體墻初始剛度為20kN/mm左右。隨著高寬比的減小，砌體墻初始剛度增大，且增幅較大。隨著高寬比的增大，砌體墻剛度退化曲線越平緩。

3 結語

1)當高寬比為0.938，1.250，1.875時，自保溫榫式砌塊灌芯砌體墻表現(xiàn)出彎曲破壞特征。在墻角薄弱部位采取成熟的砌體墻抗震設計措施是可行的。

2)不同高寬比下自保溫榫式砌塊灌芯砌體墻滯回曲線均較對稱，均表現(xiàn)出了“捏縮”效應。高寬比越大，滯回環(huán)越偏向于橫坐標軸(位移軸)，變形越大；高寬比越小，滯回環(huán)越偏向于縱坐標軸(荷載軸)，承載力越大。

3)隨著高寬比的減小，自保溫榫式砌塊灌芯砌體墻骨架曲線越偏向于縱坐標軸(荷載軸)，承載力提高；隨著高寬比的增大，砌體墻骨架曲線越偏向于橫坐標軸(位移軸)，承載力降低。

4)隨著高寬比的增大，自保溫榫式砌塊灌芯砌體墻位移延性系數(shù)增大，說明高寬比越大，砌體墻延性越好，在地震作用下越表現(xiàn)為延性破壞，抗震效果越好。

5)隨著高寬比的減小，自保溫榫式砌塊灌芯砌體墻初始剛度增大，且增幅較大。隨著高寬比的增大，砌體墻剛度退化曲線越平緩。