改善加气混凝土砌块开洞墙体抗震性分析

肖彬 尹新生

(吉林建筑工程学院寒地绿色建筑技术工程研究中心，长春130118)

1 概述

加气混凝土以其经济、利废、质轻、保温而著称，是国家倡导的一种绿色环保材料，在国外，加气混凝土的良好特性已在建筑工程领域中的应用逐步扩大，由此提高了建筑房屋的质量，加快了施工进程.多层砌体的地震破坏特征表明:由于开洞墙体洞口处的削弱［1］，地震时最易发生破坏，在国外，学者采用配筋混凝土空心砌块，以及夹心砖和纤维加强等方案来提高砌体的抗震性能［2］.在国内，则采用增设钢筋混凝土芯柱来提高其抗震性能［3］，而对于加气混凝土砌块开洞墙体还没有进行研究.本文利用有限元软件ANSYS，对加气混凝土砌块开洞墙体采用无构造、构造柱和水平梁3种方案进行伪静力实验模拟分析，探讨此类墙体的破坏形式和内力分布规律，讨论改善墙体抗震性能的不同措施;并提出在不同竖向荷载的作用下，增强墙体抗震能力的有效方法，为此类建筑提供抗震依据.

2 有限元模型及加载方式

2.1 墙体计算模型

墙体使用加气混凝土砌块A 5.0，构造柱和水平梁混凝土的强度等级为C 20，利用SOLID 65单元建立墙体的有限元模型，其计算模型尺寸为4.30 m×2.75 m×0.25 m(长×宽×厚)的墙体，洞口尺寸1.5 m×1.5 m，本文采用的3种构造措施如下:

(1)无构造:洞口周围不加设任何构造措施;

(2)构造柱:在洞口的两边加设截面尺寸为200 mm×200 mm构造柱，构造柱配置4ø12，箍筋为ø8@200(如图1);

图1 构造柱方案计算模型

(3)水平梁:在洞口的两边加设截面尺寸为200 mm×200 mm构造柱和下部加设截面尺寸为200 mm×200 mm水平梁，构造柱配置4ø12，箍筋为ø8@200;水平梁配置4ø12，箍筋为ø8@200(如图2).

图2 水平梁方案计算模型

2.2 有限元分析的基本假设

(1)圈梁和墙体始终保持相互接触，墙体与构造柱无相对滑动;

(2)加气混凝土与钢筋有良好粘结，两者无滑移，将两者的贡献结合起来，一次求得综合刚度矩阵;

(3)混凝土为各向同性材料，材料具有非线性特征;

(4)通过采用Willam-warkne五参数强度来模拟混凝土的开裂与压碎破坏.

2.3 材料的性质

加气混凝土材料参数［4］如表1.

表1 材料参数

2.4 加载方式

竖向荷载加至0.1 MPa(0.3 MPa)，然后施加低周往复荷载，模拟墙体的低周反复试验时，先进行单调加载，求得弹性和塑性极限荷载分别为45 kN，70 kN，;然后根据单调加载设计往复加载制度，开裂前使用力的加载方式，开裂后使用位移加载方式.在ANSYS中施加荷载时，荷载步增量对收敛有较大的影响，一般在开裂前，可采用较大荷载步，临近开裂荷载时，则应尽量减小荷载增量，以保证结果收敛(收敛允许值取2%～5%)稳定性和有效逼近问题的真实解，各方案的加载方式如表2.

表2 加载方式

3 结果分析

各方案的滞回曲线，如图3～图5.

通过ANSYS对加气混凝土砌块开洞墙体的分析比较，可得出下列分析结果:

(1)开裂荷载和开裂位移:无构造、构造柱、水平梁的开裂位移分别为1.89 mm，1.89 mm，2.20 mm，开裂荷载分别为44 kN、45 kN、55 kN.由此可知，水平梁方案的开裂位移和开裂荷载最大;

(2)极限荷载和极限位移:无构造、构造柱、水平梁的极限位移分别为5.7 mm，8.2 mm，8.9 mm，极限荷载分别为68.2 kN，92.5 kN，108.3 kN.由此可知，水平梁方案和构造柱方案的极限位移和极限荷载要远远大于无构造方案;

(3)延性和耗能能力:在0.1 MPa竖向荷载作用下，构造柱方案和水平梁方案较无构造方案其延性系数有显著提高.在0.3 MPa竖向荷载作用下，构造柱方案和水平梁方案下降段变陡.在相同的竖向荷载作用下，水平梁方案墙体的滞回曲线较构造柱方案滞回面积更大，说明其耗能能力更好;

(4)在0.3 MPa竖向荷载作用下，无构造、构造柱、水平梁的开裂位移分别为2.41 mm，2.43 mm，2.97 mm，开裂荷载分别为42 kN，41 kN，62 kN，极限位移分别为3.7 mm，7.6 mm，8.5 mm，极限荷载分别为80.2 kN，103.8 kN，120.1 kN.

图3 无构造方案

图4 构造柱方案

图5 水平梁方案

4 结语

通过上述分析，可得出以下结论:

(1)水平梁方案、构造柱方案较无构造方案显著地提高了开洞墙体的极限荷载和极限位移，有效地约束了砌体的变形，保证了开洞墙体在地震荷载作用下开裂而不发生倒塌;

(2)水平梁方案、构造柱方案明显改善了开洞墙体的抗震性能，特别是在较小的竖向荷载作用下，随着方案的不同，所起的作用也不同;

(3)水平梁方案较构造柱方案更能提高墙体的整体刚度，其效果优于构造柱方案;

(4)在较大的竖向荷载作用下，构造柱方案和水平梁方案较无构造方案抗震性能有所提高，但其刚度和强度出现退化.

［1］高连玉.加气混凝土应用技术论文集［C］.中国加气混凝土协会应用技术部.房材与应用编辑部，1999.

［2］Avramidou，M.F.Drdacky，P.P.Prochazka.Strengthening Against Damage of Brick Walls By Yarn Composites［A］.6th International Conference On Inspection［C］.Appraisal，Repairs＆Maintenance of Buildings＆Structures，Dec，1999:Melbourne，Australia.

［3］巴盼锋，尹新生，李妍.改造加气混凝土墙竖向承载力分析［J］.吉林建筑工程学院学报，2010，27(3):9-12.

［4］徐德良，刘伟庆，薛彦涛.大开间约束砖砌体墙的非线性分析［J］.世界地震工程，2002(2):20.