混凝土砌塊砌體墻受剪性能的有限元模擬

摘要：對混凝土砌塊砌體進(jìn)行了數(shù)值模擬，對于影響模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的一些因素包括剪力傳遞系數(shù)的取值、打開關(guān)閉壓碎、迭代算法進(jìn)行探討.應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件模擬足尺混凝土砌塊墻在水平和豎向荷載共同作用下的受力性能，結(jié)果表明足尺墻體的抗剪強(qiáng)度低于砌體抗剪強(qiáng)度指標(biāo).得出的結(jié)論可供砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究參考.

關(guān)鍵詞：混凝土砌塊砌體；剪切；承載力；有限元分析

中圖分類號(hào)：TU391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著現(xiàn)代砌體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高層及有抗震要求的地區(qū)，對砌體結(jié)構(gòu)基本理論的研究顯得愈加重要、更加有意義.有限元已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)分析的重要工具與途徑.相對于混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等其他結(jié)構(gòu)形式，砌體結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性有待于進(jìn)一步提高.本文在總結(jié)和探討ANSYS在混凝土砌塊砌體中運(yùn)用方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果，探索采用ANSYS軟件模擬的受剪性能.

1砌塊砌體有限元分析方法

有限元是砌體結(jié)構(gòu)研究的重要工具，近年來砌體結(jié)構(gòu)的有限元分析得到了越來越多的重視.ANSYS軟件強(qiáng)大的功能已經(jīng)在結(jié)構(gòu)分析中得到了廣泛的應(yīng)用，不少研究者運(yùn)用ANSYS對砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析得到了許多有益的結(jié)論.王達(dá)詮、唐岱新、全成華、孫偉明、李英明、徐銓彪、PAGE A W等都對砌體有限元分析方法進(jìn)行了研究＼[1-6＼].王達(dá)詮等將以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)的均質(zhì)化理論運(yùn)用于砌塊砌體結(jié)構(gòu)數(shù)值分析中形成可以等效砌體組成材料的砌體代表性體積單元＼[1＼]；唐岱新、全成華等采用ANSYS軟件對 7片縱橫配筋大剪跨比的砌塊砌體剪力墻進(jìn)行數(shù)值模擬，得出承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值相吻合的結(jié)論（差值在10%以內(nèi)）＼[2＼]；孫偉明等采用整體式模型對預(yù)應(yīng)力混凝土砌塊砌體抗裂性能進(jìn)行了有限元分析]；李英明等對ANSYS在砌體結(jié)構(gòu)非線性分析中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，主要對ANSYS砌體非線性分析的迭代方法的選用等一些參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了比較＼[4＼].

現(xiàn)有的對于砌體進(jìn)行有限元分析的研究還只是基于某一方面而不具有普遍性一方面這是由于砌體的有限元分析研究時(shí)間較短，很多有限元軟件的開發(fā)并未針對砌體；另一方面也是由于砌體結(jié)構(gòu)的特殊性，如材料離散性大等增大了分析的難度.在用ANSYS對混凝土砌塊砌體進(jìn)行非線性分析中，對于剪力傳遞系數(shù)取值、打開與關(guān)閉壓碎、迭代算法等參數(shù)的選取尚有待研究.本文結(jié)合實(shí)例對這些問題進(jìn)行探討.

浙江大學(xué)進(jìn)行了足尺墻體的試驗(yàn)，其試驗(yàn)墻體尺寸長高寬分別為3 800 mm×2 800 mm×190 mm.在墻體底部采用了截面為400 mm×400 mm的底梁與試驗(yàn)墻體連接.采用的砌塊主塊尺寸為390 mm×190 mm×190 mm，副塊尺寸為190 mm×190 mm×190 mm，砌塊采用MU10，砌筑砂漿采用M10混合砂漿.本文選用兩片具有代表性墻體進(jìn)行數(shù)值模擬.本文選用試驗(yàn)墻體編號(hào)、類型如表1所示＼[5-7＼].

構(gòu)造柱尺寸為190 mm×190 mm，構(gòu)造柱縱向鋼筋為412，箍筋為8@250，圈梁縱向鋼筋為414，箍筋為8@250.構(gòu)造柱和圈梁混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20.在進(jìn)行有限元分析時(shí)，采用整體式模型，將砌體墻視為勻質(zhì)彈塑性材料，單元尺寸為100 mm，采用力的收斂準(zhǔn)則，SOLID65單元的KEYOPT選項(xiàng)中

不考慮形函數(shù)的附加項(xiàng)，考慮拉應(yīng)力釋放、激活分析選項(xiàng)中的自適應(yīng)下降、線性搜索、自動(dòng)載荷步（自動(dòng)時(shí)間步長）和預(yù)測等功能來加強(qiáng)收斂.本文砌塊墻考慮3種材料：混凝土、鋼筋、砌塊墻.對構(gòu)造柱、圈梁、砌塊墻體都采用SOLID65單元.混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系采用多線性等向強(qiáng)化模型MISO，鋼筋采用雙線性等向強(qiáng)化模型BISO.對于砌體本構(gòu)關(guān)系，本文選用劉桂秋提出的本構(gòu)關(guān)系＼[8＼].

文獻(xiàn)＼[9＼]指出剪切破壞時(shí)，由于應(yīng)力分布的不均勻所導(dǎo)致的截面不能被充分利用，使足尺墻體的抗剪強(qiáng)度低于《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB5003-2001）材性試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度計(jì)算指標(biāo)，并進(jìn)一步根據(jù)我國過去進(jìn)行的墻體抗剪試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)得到不施加法向荷載情況下實(shí)測足尺的墻體抗剪強(qiáng)度約為材性試驗(yàn)取值的0.32～0.68.本文進(jìn)一步得出在軸壓比為0時(shí)，墻體抗剪承載力約為規(guī)范材性試驗(yàn)取值的0.33～0.65.軸壓比為0.2時(shí)，墻體抗剪承載力約為規(guī)范材性試驗(yàn)取值的0.45～0.93（Wall24除外）.軸壓比為0.4時(shí)，墻體抗剪承載力約為規(guī)范材性試驗(yàn)取值的0.48～0.97.軸壓比為0.6時(shí)，墻體抗剪承載力約為規(guī)范材性試驗(yàn)取值的0.51～1.04.軸壓比為0.8時(shí)，墻體抗剪承載力約為規(guī)范材性試驗(yàn)取值的0.19～0.68.所以在進(jìn)行承載力計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮應(yīng)力分布不均布的影響.

3結(jié)論

本文利用ANSYS軟件模擬混凝土砌塊砌體結(jié)構(gòu)，結(jié)合試驗(yàn)實(shí)例對剪力傳遞系數(shù)的取值、打開關(guān)閉壓碎、迭代算法等進(jìn)行了對比，然后對30組不同參數(shù)的墻體模型進(jìn)行了計(jì)算，將有限元計(jì)算結(jié)果和規(guī)范抗剪強(qiáng)度直接乘以截面面積得到的承載力公式所計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，得到以下結(jié)論：

1） 墻體裂縫開展與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，利用非線性有限元可以較好地模擬，能較好滿足理論分析及工程實(shí)際要求.

2） 有限元分析中的剪力傳遞系數(shù)在0.1～0.5內(nèi)取值時(shí)差別較小，具體取值應(yīng)進(jìn)一步分析.

3） 有限元分析中打開壓碎項(xiàng)，所得結(jié)果較為準(zhǔn)確，關(guān)閉壓碎項(xiàng)結(jié)果偏差較大.

4） 有限元分析中的迭代算法選用弧長法較NR法墻體抗剪承載力計(jì)算結(jié)果稍低.

5） 由于應(yīng)力分布的不均勻所導(dǎo)致的截面不能被充分利用，使足尺墻體的抗剪強(qiáng)度低于砌體抗剪強(qiáng)度指標(biāo).在進(jìn)行承載力計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮截面應(yīng)力分布不均勻的影響.

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