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(tuán)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(jié)構(gòu)，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(shí)測周期與振型，驗(yàn)證了模型的正確性，并對結(jié)構(gòu)在6度多遇地震作用下的彈塑性時(shí)程反應(yīng)進(jìn)行了分析，評估了結(jié)構(gòu)抗震性能；李利剛[2]對6片砌塊整澆墻進(jìn)行了低周往復(fù)水平荷載試驗(yàn)，通過恢復(fù)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(biāo)；陳良[3]通過2片N式砌塊配筋砌體剪力墻在低周往復(fù)水平荷載作用下的試驗(yàn)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(zhuǎn)角等重要抗震性能指標(biāo)進(jìn)行了研究；張秀亮[4]對8種不同構(gòu)造措施的長臂配筋砌塊剪力墻抗剪性能進(jìn)行了有限元分析，研究了不同灌芯率、芯柱混凝土強(qiáng)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(jìn)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(biāo)之一[6-9]。依托自保溫榫式砌塊灌芯砌體墻進(jìn)行低周往復(fù)水平荷載作用下的試驗(yàn)結(jié)果，本文利用有限元軟件MSC.Marc對墻體進(jìn)行數(shù)值模擬分析。在數(shù)值模擬分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行數(shù)值模擬分析。由恢復(fù)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(biāo)分別進(jìn)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(yàn)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(shí)，將自保溫榫式砌塊、混合砂漿及陶?；炷磷鳛檎w結(jié)構(gòu)，即灌芯砌體，采用shell75殼單元模擬。將鋼筋作為獨(dú)立單元，采用truss9桁架單元模擬。

經(jīng)實(shí)測得到數(shù)值模擬分析所需的灌芯砌體等效塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線，扣除彈性階段應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線[11]。灌芯砌體與鋼筋均采用Von Mises屈服準(zhǔn)則，砌體墻試驗(yàn)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(fù)。

圖2 試驗(yàn)骨架曲線

圖3 數(shù)值模擬骨架曲線

試驗(yàn)結(jié)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(jié)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(jié)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(yàn)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(yàn)結(jié)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(jù)實(shí)際砌塊尺寸改變墻體寬度，以改變高寬比。制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)，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(yīng)的高寬比分別為1.875，1.250，0.938。數(shù)值模型其他參數(shù)設(shè)置與試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗤?/p>

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(kuò)展，可知當(dāng)高寬比<0.938時(shí)，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(shí)際破壞形態(tài)相同。因此，對此類新型墻體進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對易破壞部位進(jìn)行加強(qiáng)處理時(shí)，可參考相關(guān)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(yīng)。高寬比越大，滯回環(huán)越偏向于橫坐標(biāo)軸(位移軸)，變形越大；高寬比越小，滯回環(huán)越偏向于縱坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(chǔ)上，采用文獻(xiàn)[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(dāng)高寬比為1.875時(shí)，砌體墻可承受的最大地震作用為49.78kN；當(dāng)高寬比為1.250時(shí)，砌體墻可承受的最大地震作用為104.89kN；當(dāng)高寬比為0.938時(shí)，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(gòu)件，可采用位移延性系數(shù)評價(jià)其延性。高寬比為1.875，1.250，0.938時(shí)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(shí)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(dāng)高寬比為0.938時(shí)，砌體墻初始剛度為75kN/mm左右；當(dāng)高寬比為1.250時(shí)，砌體墻初始剛度為40kN/mm左右；當(dāng)高寬比為1.875時(shí)，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(jié)語

1)當(dāng)高寬比為0.938，1.250，1.875時(shí)，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(shè)計(jì)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(yīng)。高寬比越大，滯回環(huán)越偏向于橫坐標(biāo)軸(位移軸)，變形越大；高寬比越小，滯回環(huán)越偏向于縱坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)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。