韓帥軍高飛河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

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設(shè)置構(gòu)造柱的磚砌體窗間墻體的彎曲破壞性能分析

韓帥軍高飛
河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

摘要:采用ABAQUS有限元分析軟件，對(duì)窗間墻及一字墻分別建模，并進(jìn)行應(yīng)力分析，得出加載點(diǎn)反力-位移曲線和模型變化云圖，并且和在試驗(yàn)中設(shè)置隔離縫的非窗間墻進(jìn)行比較。結(jié)果表明：帶構(gòu)造柱磚砌體結(jié)構(gòu)窗間墻在水平荷載作用下發(fā)生剪切破壞，而帶隔離縫的窗間墻和一字墻發(fā)生彎曲破壞，且非窗間墻較窗間墻延性增大，抗剪承載力降低，抗震性能提高。在房屋施工時(shí)可在窗臺(tái)墻與窗間墻之間設(shè)置通常的豎向隔離縫將二者隔開，使破壞形態(tài)由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐模蕴岣咂淇拐鹦阅堋?/p>

關(guān)鍵詞:磚砌體；窗間墻；抗震性能；彎曲破壞；有限元

0引言

窗間墻是砌體結(jié)構(gòu)中最小、最薄弱的抗震單元[1]。在強(qiáng)烈地震作用下，與主震方向平行的縱向窗間墻常因抗剪承載力不足而產(chǎn)生“X”形裂縫，從而發(fā)生剪切破壞。但是砌體結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生的彎曲破壞表現(xiàn)為抗震性能好，延性大，損壞輕，易修復(fù)等特點(diǎn)[2]。鑒于鑒于以上彎曲破壞的優(yōu)勢(shì)，張文芳教授在文獻(xiàn)[3]中提出一種新的抗震減災(zāi)技術(shù)，這種技術(shù)避免了整截面脆性剪切滑移，且屈服后延性好。故本文結(jié)合免剪破壞砌體結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)試件設(shè)計(jì),采用ABAQUS通用有限元軟件模擬設(shè)置10 mm隔離縫的磚砌體窗間墻W-1，磚砌體窗間墻W-2及一字墻W-3，對(duì)比研究二者在豎向荷載和水平荷載作用下的破壞形態(tài)和受力特點(diǎn)，得出一些有益成果，為今后砌體結(jié)構(gòu)理論分析、工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1有限元建模

1.1計(jì)算模型

帶構(gòu)造柱磚砌體窗間墻W-1總高2 600 mm，厚240 mm，頂?shù)琢悍謩e高400 mm、450 mm，窗臺(tái)墻高1 000 mm，窗間墻中部設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱，尺寸為240 mm×240 mm，構(gòu)造柱設(shè)置馬牙槎，且沿墻片長度方向每隔8皮磚按構(gòu)造設(shè)置拉結(jié)鋼筋網(wǎng)片，并貫穿構(gòu)造柱，用以加強(qiáng)窗間墻的抗震性能。模型W-1在窗臺(tái)墻和窗間墻之間設(shè)置10 mm的隔離縫，表面用水泥砂漿抹平，設(shè)計(jì)和配筋如圖1所示。模型窗間墻W-2和W-1基本相同，唯一不同的是沒有在窗臺(tái)墻和窗間墻之間設(shè)置隔離縫。模型墻W-3與W-1的窗間墻部分相同。模型墻體采用燒結(jié)普通磚，墻片的材料強(qiáng)度等級(jí)為:普通磚為MU15，砂漿為M10，混凝土為C30。模型圖如圖1所示。

圖1計(jì)算模型

這里采用ABAQUS軟件進(jìn)行非線性有限元分析，建立模型墻體W-1與W-2和W-3作對(duì)比研究。對(duì)墻體進(jìn)行有限元建模分析的時(shí)候，一般采用整體式模型和分離式模型兩種。目前，人們對(duì)磚和砂漿的材料性能研究很少，且對(duì)磚與砂漿之間的摩擦、黏結(jié)滑移研究更少，所以在對(duì)磚墻進(jìn)行有限元建模時(shí)采用整體式模型，鋼筋采用分離式方法。混凝土構(gòu)造柱及頂?shù)琢翰捎闷胀ǖ娜S模型，并賦予混凝土截面屬性。鋼筋采用桁架單元，建好的箍筋和縱筋的鋼筋骨架分別賦予鋼筋截面屬性，然后將鋼筋骨架嵌入到混凝土柱中?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C20，容重為25 kN/m3，密度為2 548 kg/m3，彈性模量為25 500 MPa，泊松比為0.2。選用燒結(jié)普通磚強(qiáng)度等級(jí)為MU10，砌筑用混合砂漿強(qiáng)度等級(jí)為M10，分析過程采用整體式考慮法，即將燒結(jié)普通磚與砂漿看作一個(gè)整體，忽略材料之間性質(zhì)的不同，容重為19 kN/m3，密度為1 937 kg/m3，彈模量分別為210 000 MPa及200 000 MPa，泊松比為0.25。

1.2材料本構(gòu)模型

所用砌體受壓應(yīng)力-應(yīng)變[4]關(guān)系為:

式中，ε0為應(yīng)力峰值點(diǎn)B對(duì)應(yīng)應(yīng)變值。應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2，利用上式求得砌體本構(gòu)，扣除砌體彈性應(yīng)變的塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線后，作為最終本構(gòu)輸入。

混凝土單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變[5]關(guān)系為:混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變[5]關(guān)系為:

式中，dt、dc為混凝土單軸受拉、壓演化系數(shù)。將混凝土受拉、受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖繪于同一坐標(biāo)系中，但取不同比例。符號(hào)取“受拉為負(fù)、受壓為正”，如圖3。利用上式求得混凝土本構(gòu)，扣除混凝土彈性應(yīng)變的塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線后,作為最終本構(gòu)輸入。

圖2普通磚砌體受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.3模型設(shè)計(jì)

在磚砌體墻片上作用的荷載分為豎向均布荷載和水平位移作用，施加步驟為:先在鋼梁頂面施加σ0=0.6 MPa豎向均布荷載,作為面荷載輸入,且在整個(gè)分析過程中保持不變,然后在鋼梁中部施加水平位移至50 mm，并在底梁施加x、y、z三個(gè)方向的約束，用來模擬墻體的實(shí)際約束情況，如圖4（左）所示。

為提高分析效率。所有材料類型均設(shè)為各項(xiàng)同性，鋼筋定義約束采用嵌入式，其他采用約束（tie），混凝土采用損傷塑性，其膨脹角取30°，偏心率取0.1，fb0/fc0取1.16，k取0.6667，黏度參數(shù)取0.0003，砌體采用塑性。模型示意圖見圖4。鋼梁對(duì)墻體加載原因如下:

1）使墻體受力均勻，避免加載點(diǎn)在模擬過程中出現(xiàn)局部破壞，得出正確可用的反力-位移曲線。

2）水平位移通過鋼梁對(duì)墻體施加彎矩，使墻體受力更接近地震作用下底層墻體的實(shí)際受力情況。

圖4荷載（左）與模型(右)示意圖

2結(jié)果分析

2.1墻體破壞分析

由W-2、W-3應(yīng)力云圖（見圖5）可知:設(shè)置中部構(gòu)造柱的磚砌體結(jié)構(gòu)窗間墻W-2在水平荷載作用下，首先在中部構(gòu)造柱及窗角處出現(xiàn)應(yīng)力，隨著水平荷載的加大，窗角處應(yīng)力開始向中部構(gòu)造柱及窗下墻延伸，且基本呈45°方向，直至破壞。中部構(gòu)造柱有效集中了一部分最大應(yīng)力，也一定程度上提高了墻體的延性及變形能力。除此之外，最大應(yīng)力還斜向分布于窗間墻及窗臺(tái)墻上，出現(xiàn)X型裂縫。設(shè)置中部構(gòu)造柱的磚砌體結(jié)構(gòu)非窗間墻W-3在水平作用下，最早出現(xiàn)應(yīng)力的是在墻底兩側(cè)及構(gòu)造柱底部，并且隨著水平荷載的增加，墻底兩側(cè)應(yīng)力逐漸增大，并由兩側(cè)向中部延伸，基本沿水平分布，直至破壞。在墻體底部出現(xiàn)局部最大應(yīng)力，表現(xiàn)為彎曲破壞形態(tài)。

W-1首先在窗間墻兩側(cè)墻角處出現(xiàn)若干明顯的斜向裂縫，接著窗間墻底部附近出現(xiàn)水平裂縫，并且延伸至構(gòu)造柱底部。隨后兩側(cè)墻角處磚砌塊被壓裂，不時(shí)掉落碎磚碎渣。繼續(xù)增加荷載，以致兩側(cè)磚塊最后被完全壓酥，碎磚塊大量塌落，中部構(gòu)造柱鋼筋屈服，最終該試件破壞。

圖5模型應(yīng)力云圖

對(duì)比二者的破壞過程和破壞形態(tài)，可以看出:從破壞形態(tài)上看，W-1和W-3具有明顯的彎曲破壞特征。W-1是兩側(cè)墻角處的磚塊受壓壓碎破壞，中部構(gòu)造柱鋼筋發(fā)生屈曲。W-3是在受拉墻底兩側(cè)產(chǎn)生并發(fā)展的水平貫通裂縫,最后墻角處被壓碎，中部構(gòu)造柱鋼筋被拉彎破壞。W-2是明顯的剪切破壞特征，由于抗剪強(qiáng)度不足出現(xiàn)了明顯的X型裂縫。

2.2墻體延性分析

本文從墻體延性及抗剪承載力的角度來考察隔離縫對(duì)墻體抗震性能的影響,采用墻體荷載-位移曲線上斜率變化最大的點(diǎn)為墻體的屈服點(diǎn)。各模型的ABAQUS分析結(jié)果見表1，各模型在垂直和水平荷載作用下的反力-位移曲線見圖6。

圖6模擬墻體反力-位移曲線

由表1及圖6可以看出:由于模擬不足的原因，模型W-1的開裂荷載、最大承載力和極限承載力均要比模型W-2和W-3的小。W-2的極限承載力要比W-3提高了17%，但是延性系數(shù)卻比W-3小。

可以看出，由于W-1設(shè)置了隔離縫的原因，該墻體實(shí)質(zhì)上與一字墻W-3一樣，因此在相同條件下窗間墻W-2發(fā)生了明顯的剪切破壞，而W-1和W-3發(fā)生了彎曲破壞，承載力雖然有所降低，但延性及變形能力大大提高，現(xiàn)出較好的抗倒塌能力。

3結(jié)論

這里借助ABAQUS有限元分析軟件，在水平及豎向荷載作用下，對(duì)中部設(shè)置隔離縫的帶構(gòu)造柱式縱向獨(dú)立窗間墻、磚砌體窗間墻及一字墻的破壞形態(tài)及抗震性能進(jìn)行了分析比較，得出以下結(jié)論:

1）可在窗臺(tái)墻與窗間墻之間設(shè)置通常的豎向隔離縫，將窗間墻轉(zhuǎn)化為非窗間墻，破壞形態(tài)由剪切破壞變?yōu)閺澢茐模蕴岣咂淇拐鹦阅堋?/p>

2）設(shè)置隔離縫的窗間墻較一般墻抗剪承載力有所降低，但延性大幅提高，抗倒塌能力提高。

表1各模型的ABAQUS分析結(jié)果

參考文獻(xiàn):

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