抗震結(jié)構(gòu)中填充墻倒塌數(shù)值模擬與分析

楊 偉，歐進(jìn)萍，2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，518055廣東深圳，ywluck@126.com; 2.大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院，116024遼寧大連)

近年來，建筑抗震設(shè)計方法已經(jīng)有了很大的發(fā)展，而且在不斷地更新和完善，但填充墻對結(jié)構(gòu)的影響目前設(shè)計方法考慮得還不夠全面，只是簡單地考慮周期折減，并沒有與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)防水準(zhǔn)相協(xié)調(diào)，即沒有在同一標(biāo)準(zhǔn)下加以考慮設(shè)計，結(jié)果導(dǎo)致其震害嚴(yán)重，甚至?xí)鸾Y(jié)構(gòu)倒塌傷人［1］.按照當(dāng)前許多國家普遍采用的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)［2］，所設(shè)計和建造的房屋結(jié)構(gòu)，即使做到大震時建筑物的結(jié)構(gòu)不倒，能保障生命安全，也無法做到中小地震時填充墻不壞，進(jìn)而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失，影響到社會生活.

汶川地震之后，本文作者參與了國家地震局組織的都江堰市震害普查工作，發(fā)現(xiàn)該市建筑包括各種典型結(jié)構(gòu)形式，震害也表現(xiàn)出各種典型形式，其中填充墻的破壞十分普遍.目前對于填充墻的面內(nèi)失效機理研究比較充分［3-7］，但是對于填充墻的面外失效機理研究還不多，尤其對于填充墻的倒塌問題.因此，本文在此背景下分析總結(jié)填充墻的典型震害，并進(jìn)行填充墻面外倒塌有限元仿真，探討砂漿強度等級與填充墻的構(gòu)造措施，對改善填充墻抗震性能的影響，具有重要意義.

1 填充墻的典型震害

汶川地震震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，框架或底框結(jié)構(gòu)中的填充墻根據(jù)其地震作用大小、受力方式、砌體的材料特性、砌體的砌筑方式、砂漿級別、結(jié)構(gòu)中的位置、連接構(gòu)造措施和施工質(zhì)量等因素，其典型震害形式主要有:水平裂縫、斜裂縫、X型裂縫、平面外傾斜、角部壓碎和局部或整體倒塌等情況，如圖1～6所示.

圖1 水平裂縫

圖2 斜裂縫

圖3 X型裂縫

圖4 平面外傾斜

圖5 角部壓碎

圖6 部分倒塌或全倒塌

2 框架填充墻倒塌數(shù)值模擬與分析

在某些情況下，填充墻的倒塌會給人身安全帶來危害.抗震結(jié)構(gòu)地震倒塌模擬是一個非常復(fù)雜的過程，目前國內(nèi)外對框架填充墻大震倒塌仿真的研究還不多，文中借助數(shù)值計算軟件LS-DYNA，對填充墻的面外倒塌問題進(jìn)行仿真分析.

2.1 有限元模型

分析的模型為一單層單跨填充墻框架，柱距6.0 m，高3.6 m，截面500 mm×500 mm，梁截面250 mm×500 mm.分析的填充墻砌塊為混凝土砌塊，砌塊尺寸為880 mm×240 mm×380 mm，其中厚度為240 mm.該類型砌塊在災(zāi)區(qū)是十分常見的，如圖3、4所示.框架和砌體填充墻以及地面均采用三維8節(jié)點顯示SOLID164單元，該單元常被用于3維實體結(jié)構(gòu)顯示動力分析，鋼筋則采用BEAM161單元進(jìn)行建模;地面為剛體，其他為變形體.由于討論面外倒塌問題，因此梁柱和砌體均采用彈性本構(gòu)，考慮其接觸非線性問題，不考慮材料破壞.框架填充墻有限元模型如圖7所示，文中考慮9度罕遇地震作用，每隔380 mm設(shè)置貫通的2 φ 6拉結(jié)筋，加筋模型如圖8中所示;墻的長度超過5 m，按規(guī)范要求墻頂與梁宜有拉結(jié)，拉結(jié)筋模型如圖8中所示.

圖7 填充墻框架LS－DYNA有限元模型

圖8 填充墻設(shè)置拉結(jié)筋

2.2 固連失效接觸模型

文中不對砂漿建模，而是通過定義固連失效接觸模型，考慮砂漿的影響.該接觸模型是基于砂漿抗拉和抗剪強度建立固連失效準(zhǔn)則，如圖9所示，即初始時刻砌塊和砌塊之間，以及砌塊和框架之間互相固連，當(dāng)接觸應(yīng)力fn和剪應(yīng)力fs分別達(dá)到失效值fn，f和fs，f時，固連作用就會失效，從而接觸體之間可以分離和滑移.砂漿的抗拉強度和抗剪強度按混凝土砌塊加M5級和M7.5級砂漿分別進(jìn)行討論，具體參數(shù)根據(jù)砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［8］規(guī)定值取用，M5砂漿抗拉強度為0.08 MPa，抗剪強度為0.10 MPa，M7.5砂漿抗拉強度為0.10 MPa，抗剪強度為0.13 MPa.

圖9 固連失效接觸模型

2.3 模擬結(jié)果及分析

為了分析各因素，如材料強度、規(guī)范要求的構(gòu)造措施等，對填充墻框架倒塌模式的影響，采用多個工況進(jìn)行對比分析.工況1:作為參考算例，無任何構(gòu)造措施且考慮砂漿強度等級較低為M5;工況2:考慮砂漿強度等級的影響，即提高砂漿強度等級為M7.5;工況3:在工況1基礎(chǔ)上，與兩端柱設(shè)置貫通拉結(jié)筋措施;工況4:在工況1基礎(chǔ)上，與梁柱均設(shè)置拉結(jié)筋措施.

工況1的框架填充墻倒塌過程，分析結(jié)果如圖10所示.圖中給出的結(jié)果均是以單元網(wǎng)格形式，可以看到單元之間的接觸情況.在t=1.0～3.0 s時，由于地震動的幅值大，靠近梁上部的首層填充墻砌塊很快達(dá)到其抗剪與抗拉強度而首先滑移脫落，進(jìn)而下部砌塊也跟著脫落倒塌，如圖10(a)～(c)所示.經(jīng)過上述破壞之后，砌體填充墻整體性較差，緊接著又有較大的地震動幅值輸入，砌體又大量倒塌.到t=6.0 s時，填充墻砌塊則大部分倒塌，如圖10(d)所示.模擬結(jié)果和實際震害是比較一致的，如圖6所示.模擬結(jié)果充分說明了沒有任何構(gòu)造措施且砂漿強度較低的填充墻在地震動作用下，較早也較容易脫離框架而出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象.

圖10 無拉結(jié)筋，M5砂漿等級填充墻框架倒塌過程

工況2為無水平拉結(jié)筋構(gòu)造措施，砂漿等級為M7.5時，填充墻框架的破壞過程，分析結(jié)果如圖11所示.由于砂漿等級較高，其抗拉和抗剪強度均比較大，到t=2.7 s時，靠近梁上部個別砌塊才相對滑移較大，往外傾斜，接近倒塌，如圖11(a)所示.到地震作用結(jié)束(t=6.0 s)時，填充墻砌塊之間基本能夠保持良好的整體性，僅靠近梁上部砌塊掉落，但并沒有出現(xiàn)大量砌塊滑移脫落現(xiàn)象，部分變形較大接近脫落，在后續(xù)的地震作用可能仍會倒塌，如圖11(b)所示，說明提高砂漿等級對防止和延遲砌塊脫落倒塌能起到一定的作用，但不是最有效的方法.

工況3為有水平拉結(jié)筋構(gòu)造措施的填充墻破壞情況，分析結(jié)果如圖12所示.該算例在工況1的基礎(chǔ)上，設(shè)置貫通的水平拉結(jié)筋.鋼筋節(jié)點與柱及填充墻砌塊節(jié)點均耦合在一起.在整個地震作用過程中，由于鋼筋對砌塊的約束作用，且鋼筋每隔一層砌塊設(shè)置一道，設(shè)置間距較小，使砌塊保持較好的整體性，框架填充墻整體晃動;直至t=6 s時，靠近梁上部的填充墻砌塊往外突出，并不脫落，結(jié)構(gòu)始終能保持整體不倒塌.因此，說明拉結(jié)筋措施能比較有效地防止填充墻砌塊的平面外倒塌.

工況4的填充墻破壞情況，分析結(jié)果如圖13所示.本算例在工況3的基礎(chǔ)上增加與梁的拉結(jié)筋措施，拉結(jié)筋節(jié)點分別與砌塊和梁的節(jié)點耦合一起，使之變形協(xié)調(diào).在地震作用整個過程中，由于鋼筋對砌塊的約束作用，且設(shè)置間距較小，使砌塊保持良好的整體性，框架填充墻整體晃動，靠近梁上部的填充墻砌塊由于兩側(cè)鋼筋的約束作用，前后左右晃動，并不脫落;直至最后，結(jié)構(gòu)始終保持整體不倒塌，且變形較小.因此，說明與框架邊界施加拉結(jié)筋措施能有效地防止填充墻砌塊的抗倒塌能力.

圖11 工況2填充墻框架破壞過程

圖12 工況3填充墻框架破壞情況

圖13 工況4填充墻框架破壞情況

3 結(jié)論

1)在往復(fù)地震作用下，填充墻典型震害形式主要有水平裂縫、斜裂縫、X型裂縫、平面外傾斜、角部壓碎和局部或整體倒塌等情況，應(yīng)當(dāng)極力避免由于沒有設(shè)置任何構(gòu)造措施而導(dǎo)致填充墻倒塌傷人，汶川地震災(zāi)區(qū)發(fā)現(xiàn)不少這種情況.

2)數(shù)值計算軟件LS-DYNA能夠很好地模擬填充墻的倒塌過程，有助于深入了解填充墻的破壞機理.

3)提高砂漿強度等級，設(shè)置合理的構(gòu)造措施，如設(shè)置拉結(jié)筋措施，可以有效地提高填充墻的防倒塌能力;建議對于八度設(shè)防烈度以上的填充墻框架結(jié)構(gòu)，除設(shè)置全長貫通拉結(jié)筋外，應(yīng)適當(dāng)減小設(shè)置間距，并采取其他適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施，如設(shè)置鋼筋(絲)網(wǎng)，以確保填充墻砌塊不倒塌傷人.

［1］ 清華大學(xué)，西南交通大學(xué)，北京交通大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)專家組.汶川地震建筑震害分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2008，29(4):1-9.

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