配筋砌块砌体非线性有限元模型抗压试验模拟★

郭秀芹 马建勋* 成立涛

(1.西安交通大学，陕西西安 710049; 2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710049)

配筋砌块砌体是对普通砌体的改进，既保留了传统材料取材广泛、施工方便、造价低廉的特点，又达到了节能减排的目的，同时其具有良好的材料性能。近年来，国内外一些学者对配筋砌块砌体做了很多的试验研究，并获得一定成果[1-5]。但在非线性分析方面配筋砌块砌体的研究相对较少。为此，本文对配筋砌块砌体非线性有限元分析各种模型的适用性展开研究，主要对其抗压

试验进行了模拟。

1 未灌芯混凝土砌块砌体抗压试验模拟

采用全分离式模型、半分离式模型模拟宋力试验[6]的未灌芯混凝土砌块抗压实验。试验相关材料参数见表1，抗压试件尺寸见图1，顶部均匀加载;模型采用的具体参数见表2;模拟结果、规范计算结果与试验结果的对比见表3。

表1 宋力抗压试验分组及材料参数

图1 宋力试验抗压试件

表3 宋力试验模拟、规范与试验结果对比

从模拟结果来看半分离式模型分析的精度取决于规范公式的精度，精度较好在工程允许范围内;而全分离模型由于假定的假设与实际的出入使得误差较大。全分离模型砂浆破坏后，模型收敛困难，很难得到下降段曲线，而半分离式模型相对容易得到下降段曲线，典型的顶部竖向荷载与竖向位移曲线如图2所示。

图2 抗压试验典型荷载位移曲线

2 灌芯混凝土砌块砌体抗压试验模拟

采用全分离式模型、半分离式模型、整体模型模拟宋力试验[6]、全成华灌芯混凝土砌块抗压实验[7]。试验相关材料参数见表4，抗压试件尺寸见图3，顶部均匀加载;模型采用参数取用前述方法，具体参数见表5;模拟结果、规范计算结果与试验结果的对比见表6。

3 模拟结果分析

采用全分离模型可以得到砌体各部分材料应力的细节，以标2(2)组为例进行分析。砂浆的泊松比大于混凝土砌块，所以竖向受力时砂浆受到砌块的约束作用，其抗压强度大于单轴抗压强度。而结构的破坏是始于砂浆的压碎，部分砂浆的竖向压应力已达到18.09 MPa，超过了砂浆的单轴抗压强度15.8 MPa(见表5)。但是荷载位移曲线还没有出现下降段，从模拟结果来看结构还没有到达极限荷载，不收敛的原因在于砂浆的破坏引起的数值计算的困难。因此我们可以通过定义砂浆的应力应变曲线下降段为直线，并且关闭开裂和压碎选项，来减缓由于砂浆破坏带来的数值计算的困难。但从模拟结果来看，极限荷载仍然偏低。造成这种结果的原因在于砂浆与砌块刚接假设与砂浆屈服后砂浆与砌块相互作用的行为不符。

表6 灌芯混凝土砌块砌体模拟、规范与试验结果对比

表4 灌芯混凝土砌块砌体抗压试验分组及材料参数

图3 全成华灌芯混凝土砌块砌体抗压试验试件尺寸

表5 灌芯混凝土砌块砌体抗压试验有限元模拟材料参数 MPa

由于砂浆的抗压强度相对于砌块和灌芯混凝土而言较小，在全分离模型中砂浆的破坏导致整体刚度矩阵出现多个小主元导致收敛困难，往往无法得到荷载位移曲线的下降段，所得极限荷载也较试验值和规范计算结果小。

从表3，表6中可以看出半分离式模型的模拟精度很大取决于均质化的砌体本构关系对于砂浆、砌块组成的砌体的模拟精度。而未灌芯的砌块砌体的本构关系是以规范中混凝土砌块砌体的力学参数为基础，总结当前砌体的本构关系的特点后建立起来的，能够较好的反映未灌芯混凝土砌块砌体的力学行为。采用半分离式模型相较于全分离模型更容易收敛，可以得到荷载位移曲线的下降段。

4 结语

本文采用全分离式模型、半分离式模型、整体模型分别模拟宋力未灌芯混凝土及灌芯混凝土砌块砌体受压实验、全成华灌芯混凝土砌块砌体抗压实验，从中可以得出，全分离式模型由于砂浆的破坏导致整体刚度矩阵出现多个小主元导致收敛困难，无法得到荷载位移曲线的下降段，如何考虑砂浆的影响，同时又避免砂浆破坏导致的数值计算的困难，这是目前采用全分离式有限元模型模拟砌块砌体的困难。而将砌体视为由砂浆、砌块组成的均质整体，即采用半分离式模型可以在一定程度上较好的解决这个问题，采用半分离式模型可以较好模拟结构的力学行为，同时避免引起砂浆过早破坏带来的收敛困难。

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