配筋砌体墙混凝土框架内力分析与裂缝模拟★

姜俊铭

(西安交通大学，陕西西安 710049)

0 引言

空心砖砌块或轻质混凝土砌块常作为围护构件应用于框架结构中，以满足建筑功能的需要。填充墙的存在改变了框架结构的各种性能指标，使结构的整体变形和位移较纯框架有较大不同。不同的墙框连接形式、不同的填充墙构造又会有不同程度的影响。文献［1］～［3］着重分析了配筋砌体墙框架中墙、框不同连接方式对结构承载力、延性、耗能特性、抗震性能的影响;文献［4］［5］分析了砌体填充墙对框架结构抗震性能的影响及研究现状。

本文在前人研究基础上，利用有限元方法，通过改变填充墙的具体构造，对含有空心砌块、实心砌块、配筋砌块的混凝土框架建立有限元模型，研究内容主要是:1)分析其对框架结构承载能力及延性的影响方面的变化规律;2)各种形式填充墙框架的混凝土开裂和破坏情况。

1 数值模拟

1.1 模型的建立及材料性能

本文所取模型是参照文献［4］中的试验模型而建，共建立4榀足尺的钢筋混凝土框架，分别是空框架、空心砌块填充墙框架、实心砌块填充墙框架、配筋砌体填充墙框架，各模型框架部分的设计完全相同，不同之处在于内嵌墙体的构造。模型设计参数如表1所示，框架部分(未示出墙体)的几何尺寸及配筋如图1所示。

图1 框架几何尺寸及配筋图（单位：cm）

对于配筋砌体墙，采用纵横配筋，其钢筋部分有限元模型如图2所示。

图2 模型配筋图

框架混凝土设计强度等级C35，砌块砌体的等级为Mu20，砂浆等级为Mb20。柱的设计轴压比为n=0.35。

框架梁和柱纵向钢筋、墙配筋均采用HRB335钢筋，箍筋采用HPB235钢筋，其力学性能见表1。

表1 钢筋力学性能

1.2 约束及加载

本文模型下部钢梁采用固端约束，柱顶施加竖向均布荷载，在梁左端进行位移和力控制的混合加载。

1.3 有限元参数的设置

本文所选有限元参数与试验结果吻合良好［6-8］。采用分离式建模，混凝土采用Solid65单元，钢筋采用Link8单元。不考虑钢筋与混凝土间的粘结滑移。混凝土的本构模型采用《混凝土结构设计规范》所规定的没有下降段的混凝土单轴本构关系。砌体是一种非均质、各项异性材料，砌缝是其薄弱环节，对其本构关系及破坏准则进行研究非常困难。目前，ANSYS尚没有能够反映砌体受砌缝影响的复杂的剪压破坏模型，只有参照类似材料的常用破坏准则，通过参数的适当选取来最大限度地模拟砌体的破坏［8］。本文砌体本构模型采用湖南大学刘桂秋未灌芯混凝土砌块的本构关系。

2 结果与分析

2.1 极限承载力

在水平荷载作用下，4榀框架的极限承载力及延性显示出很大的差异性，如图3所示。

图3 各模型的极限承载力

研究表明，砌体墙的刚度效应极大地影响了框架结构的承载力和延性。框架结构承载力的提高很大程度上是由于砌体墙与框架间采用刚性连接，使二者形成一有机整体，共同抵抗水平力。图3中结构极限承载力数值较大，为弄清其原因，现只改变砌块和砂浆强度参数，考察结构极限承载力的变化情况，如图4所示。

图4显示，采用强度等级较高的砌块砌体和砂浆可以显著提高结构的承载力和延性，由于砌体是脆性材料，因而墙体极限承载力的大小很大程度上取决于砌缝粘结强度的强弱。

图4 砌块强度对极限承载力的影响

2.2 混凝土裂缝的发展和变化规律

混凝土裂缝的处理方式有离散裂缝模型、分布裂缝模型和断裂力学模型。本文有限元模型采用分离式建模，ANSYS采用分布裂缝模型的处理方式，分布裂缝模型也被称为弥散裂缝模型，其实质是将实际的混凝土裂缝“弥散”到整个单元中［9］。

在进行开裂模拟时，要用到应力释放。混凝土受压开裂时，材料完全崩裂，应力骤然降为零;受拉破坏时，在垂直于裂缝的方向上应力骤然降为零。采取应力释放，即可区分混凝土是受压开裂还是受拉开裂，ANSYS中有专门的应力释放控制件［10］。

图5～图8为ANSYS软件模拟的混凝土框架、空心砌体墙框架、实心砌体墙框架、配筋砌体墙框架在单调水平荷载作用下的模型开裂情况和表面裂缝分布规律。

图5a)显示，空框架在刚开裂时，首先在梁、柱节点处产生竖向压裂缝，随着荷载增大，在两根柱的下端外侧相继出现水平拉裂缝，在梁柱节点受压区出现更多竖向裂缝。在钢筋接近屈服时，混凝土梁和柱上均产生较多裂缝，大致分布是在初次开裂的区域单元积分点处在三个垂直方向开裂，同时已经开裂的裂缝出现闭合;在梁、柱中间区域出现较多的45°斜裂缝，在梁、柱边缘处更多的是水平裂缝和竖向裂缝。同时可以看出，在梁柱节点、柱端截面、柱顶、柱脚破坏最为严重(图中颜色较重区域)，最终框架成为机动体系而破坏(见图5b))。

图5 空框架的裂缝开展及分布规律

由图6表明，砌体墙的加入使得结构的受力和破坏形态与空框架相比有很大不同，砌块砌体为脆性材料，抗拉和抗压强度都较低，极易开裂，在初始受力阶段成为主要抗侧力构件，此时框架所承担的荷载较少。结构临近破坏时，砌体墙已出现三个方向的开裂，严重损坏。从图6b)可以看出，在左侧柱下端外侧开裂最为严重，右侧柱破坏较轻。

与空心砌体框架相比，空心砌块灌芯后填充墙的刚度及强度大为增加，墙面沿受压对角线方向出现一系列的斜裂缝，组成一个裂缝区域斜向条带，如图7a)所示，受拉对角线方向上方角部块体上几乎没有裂缝，框架的破坏与空心砌体框架大致相同，表现出了更为明显的弯曲破坏形态。

图6 空心砌体框架的裂缝开展及分布规律

图7 实心砌体框架的裂缝开展及分布规律

图8显示，墙体中配有纵横钢筋对结构的破坏形式没有多大影响，文献［11］指出在一定的竖向配筋下，水平配筋率的提高甚至可以改变破坏形态，这与本文所显示的现象不太一致。

图8 配筋砌体框架的裂缝开展及分布规律

2.3 荷载位移曲线

图9为空心砌体墙框架、实心砌体墙框架、配筋砌体墙框架在水平荷载作用下的结构的荷载位移曲线。

可以看出，墙体与框架的刚度相对值决定了水平荷载的分配。

1)显示墙体在最初阶段承担荷载较大，随着墙体开裂，墙逐渐退出工作，柱成为主要抗侧力构件;2)中墙体刚度大为增强，后期由于框架对墙体的约束作用，墙依然承担较大的作用力;3)中墙体中纵横钢筋的加入使墙体刚度继续增大，柱反而成为次抗侧力构件，结构显示出明显的“强墙弱框架”特性。

图9 各模型的荷载位移曲线

3 结语

研究表明，改变填充墙的具体构造可以显著影响结构的极限承载力和延性，具体而言:1)使用高强度的砌块和砂浆对于提高砌体墙和整个结构的承载力意义重大。2)灌芯砌块相比于空心砌块，具有更大的强度和刚度，其提高程度受灌芯混凝土强度等级的影响。3)砌体墙中加入纵、横向钢筋可以进一步提高结构的抗侧力性能。4)可以根据实际要求控制墙体以及框架强度和刚度的相对强弱，构造“强框架弱墙”或“强墙弱框架”的结构形式，实现不同等级的抗震设防需求。

［1］成立涛.混凝土框架—配筋砌块砌体结构的协同工作机理［D］.西安:西安交通大学，2011.

［2］蒋欢军，毛俊杰，刘小娟.不同连接方式砌体填充墙钢筋混凝土框架抗震性能试验研究［J］.建筑结构学报，2014，35(3):60-67.

［3］付 靓.混凝土框架—配筋砌块砌体混合结构组合单元抗震性能模拟研究［D］.西安:西安交通大学，2014.

［4］黄群贤，郭子雄，朱雁茹，等.混凝土空心砌块填充墙RC框架抗震性能试验研究［J］.建筑结构学报，2012，33(2):110-118.

［5］吴兆旗，姜绍飞.填充墙对框架结构抗震性能影响分析［J］.建筑，2009(2):46-48.

［6］张卫东，王振波.基于ANSYS的钢筋混凝土框架试验及有限元分析［J］.江南大学学报(自然科学版)，2002，1(1):35-37.

［7］马建勋，祁星星，张 明.基于ANSYS的框架—配筋砌块砌体混合结构分析［J］.山西建筑，2012，38(28):32-34.

［8］李英民，韩 军，刘立平.ANSYS在砌体结构非线性有限元分析中的应用研究［J］.重庆建筑大学学报，2006，28(5):90-96.

［9］王新敏.ANSYS工程结构数值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［10］王 伟.ANSYS 14.0土木工程有限元分析从入门到精通［M］.北京:清华大学出版社，2013.

［11］许祥训.配筋砌块短肢砌体剪力墙抗剪性能试验研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2006.