设置构造柱的砖砌体窗间墙体的弯曲破坏性能分析

韩帅军高飞河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）



设置构造柱的砖砌体窗间墙体的弯曲破坏性能分析

韩帅军高飞
河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

摘要:采用ABAQUS有限元分析软件，对窗间墙及一字墙分别建模，并进行应力分析，得出加载点反力-位移曲线和模型变化云图，并且和在试验中设置隔离缝的非窗间墙进行比较。结果表明：带构造柱砖砌体结构窗间墙在水平荷载作用下发生剪切破坏，而带隔离缝的窗间墙和一字墙发生弯曲破坏，且非窗间墙较窗间墙延性增大，抗剪承载力降低，抗震性能提高。在房屋施工时可在窗台墙与窗间墙之间设置通常的竖向隔离缝将二者隔开，使破坏形态由剪切破坏转变为弯曲破坏，以提高其抗震性能。

关键词:砖砌体；窗间墙；抗震性能；弯曲破坏；有限元

0引言

窗间墙是砌体结构中最小、最薄弱的抗震单元[1]。在强烈地震作用下，与主震方向平行的纵向窗间墙常因抗剪承载力不足而产生“X”形裂缝，从而发生剪切破坏。但是砌体结构在地震作用下发生的弯曲破坏表现为抗震性能好，延性大，损坏轻，易修复等特点[2]。鉴于鉴于以上弯曲破坏的优势，张文芳教授在文献[3]中提出一种新的抗震减灾技术，这种技术避免了整截面脆性剪切滑移，且屈服后延性好。故本文结合免剪破坏砌体结构抗震试验试件设计,采用ABAQUS通用有限元软件模拟设置10 mm隔离缝的砖砌体窗间墙W-1，砖砌体窗间墙W-2及一字墙W-3，对比研究二者在竖向荷载和水平荷载作用下的破坏形态和受力特点，得出一些有益成果，为今后砌体结构理论分析、工程设计提供依据。

1有限元建模

1.1计算模型

带构造柱砖砌体窗间墙W-1总高2 600 mm，厚240 mm，顶底梁分别高400 mm、450 mm，窗台墙高1 000 mm，窗间墙中部设置钢筋混凝土构造柱，尺寸为240 mm×240 mm，构造柱设置马牙槎，且沿墙片长度方向每隔8皮砖按构造设置拉结钢筋网片，并贯穿构造柱，用以加强窗间墙的抗震性能。模型W-1在窗台墙和窗间墙之间设置10 mm的隔离缝，表面用水泥砂浆抹平，设计和配筋如图1所示。模型窗间墙W-2和W-1基本相同，唯一不同的是没有在窗台墙和窗间墙之间设置隔离缝。模型墙W-3与W-1的窗间墙部分相同。模型墙体采用烧结普通砖，墙片的材料强度等级为:普通砖为MU15，砂浆为M10，混凝土为C30。模型图如图1所示。

图1计算模型

这里采用ABAQUS软件进行非线性有限元分析，建立模型墙体W-1与W-2和W-3作对比研究。对墙体进行有限元建模分析的时候，一般采用整体式模型和分离式模型两种。目前，人们对砖和砂浆的材料性能研究很少，且对砖与砂浆之间的摩擦、黏结滑移研究更少，所以在对砖墙进行有限元建模时采用整体式模型，钢筋采用分离式方法。混凝土构造柱及顶底梁采用普通的三维模型，并赋予混凝土截面属性。钢筋采用桁架单元，建好的箍筋和纵筋的钢筋骨架分别赋予钢筋截面属性，然后将钢筋骨架嵌入到混凝土柱中。混凝土强度等级为C20，容重为25 kN/m3，密度为2 548 kg/m3，弹性模量为25 500 MPa，泊松比为0.2。选用烧结普通砖强度等级为MU10，砌筑用混合砂浆强度等级为M10，分析过程采用整体式考虑法，即将烧结普通砖与砂浆看作一个整体，忽略材料之间性质的不同，容重为19 kN/m3，密度为1 937 kg/m3，弹模量分别为210 000 MPa及200 000 MPa，泊松比为0.25。

1.2材料本构模型

所用砌体受压应力-应变[4]关系为:

式中，ε0为应力峰值点B对应应变值。应力-应变曲线如图2，利用上式求得砌体本构，扣除砌体弹性应变的塑性应力-应变曲线后，作为最终本构输入。

混凝土单轴受拉应力-应变[5]关系为:混凝土单轴受压应力-应变[5]关系为:

式中，dt、dc为混凝土单轴受拉、压演化系数。将混凝土受拉、受压应力-应变曲线示意图绘于同一坐标系中，但取不同比例。符号取“受拉为负、受压为正”，如图3。利用上式求得混凝土本构，扣除混凝土弹性应变的塑性应力-应变曲线后,作为最终本构输入。

图2普通砖砌体受压应力-应变曲线

图3混凝土单轴应力-应变曲线

1.3模型设计

在砖砌体墙片上作用的荷载分为竖向均布荷载和水平位移作用，施加步骤为:先在钢梁顶面施加σ0=0.6 MPa竖向均布荷载,作为面荷载输入,且在整个分析过程中保持不变,然后在钢梁中部施加水平位移至50 mm，并在底梁施加x、y、z三个方向的约束，用来模拟墙体的实际约束情况，如图4（左）所示。

为提高分析效率。所有材料类型均设为各项同性，钢筋定义约束采用嵌入式，其他采用约束（tie），混凝土采用损伤塑性，其膨胀角取30°，偏心率取0.1，fb0/fc0取1.16，k取0.6667，黏度参数取0.0003，砌体采用塑性。模型示意图见图4。钢梁对墙体加载原因如下:

1）使墙体受力均匀，避免加载点在模拟过程中出现局部破坏，得出正确可用的反力-位移曲线。

2）水平位移通过钢梁对墙体施加弯矩，使墙体受力更接近地震作用下底层墙体的实际受力情况。

图4荷载（左）与模型(右)示意图

2结果分析

2.1墙体破坏分析

由W-2、W-3应力云图（见图5）可知:设置中部构造柱的砖砌体结构窗间墙W-2在水平荷载作用下，首先在中部构造柱及窗角处出现应力，随着水平荷载的加大，窗角处应力开始向中部构造柱及窗下墙延伸，且基本呈45°方向，直至破坏。中部构造柱有效集中了一部分最大应力，也一定程度上提高了墙体的延性及变形能力。除此之外，最大应力还斜向分布于窗间墙及窗台墙上，出现X型裂缝。设置中部构造柱的砖砌体结构非窗间墙W-3在水平作用下，最早出现应力的是在墙底两侧及构造柱底部，并且随着水平荷载的增加，墙底两侧应力逐渐增大，并由两侧向中部延伸，基本沿水平分布，直至破坏。在墙体底部出现局部最大应力，表现为弯曲破坏形态。

W-1首先在窗间墙两侧墙角处出现若干明显的斜向裂缝，接着窗间墙底部附近出现水平裂缝，并且延伸至构造柱底部。随后两侧墙角处砖砌块被压裂，不时掉落碎砖碎渣。继续增加荷载，以致两侧砖块最后被完全压酥，碎砖块大量塌落，中部构造柱钢筋屈服，最终该试件破坏。

图5模型应力云图

对比二者的破坏过程和破坏形态，可以看出:从破坏形态上看，W-1和W-3具有明显的弯曲破坏特征。W-1是两侧墙角处的砖块受压压碎破坏，中部构造柱钢筋发生屈曲。W-3是在受拉墙底两侧产生并发展的水平贯通裂缝,最后墙角处被压碎，中部构造柱钢筋被拉弯破坏。W-2是明显的剪切破坏特征，由于抗剪强度不足出现了明显的X型裂缝。

2.2墙体延性分析

本文从墙体延性及抗剪承载力的角度来考察隔离缝对墙体抗震性能的影响,采用墙体荷载-位移曲线上斜率变化最大的点为墙体的屈服点。各模型的ABAQUS分析结果见表1，各模型在垂直和水平荷载作用下的反力-位移曲线见图6。

图6模拟墙体反力-位移曲线

由表1及图6可以看出:由于模拟不足的原因，模型W-1的开裂荷载、最大承载力和极限承载力均要比模型W-2和W-3的小。W-2的极限承载力要比W-3提高了17%，但是延性系数却比W-3小。

可以看出，由于W-1设置了隔离缝的原因，该墙体实质上与一字墙W-3一样，因此在相同条件下窗间墙W-2发生了明显的剪切破坏，而W-1和W-3发生了弯曲破坏，承载力虽然有所降低，但延性及变形能力大大提高，现出较好的抗倒塌能力。

3结论

这里借助ABAQUS有限元分析软件，在水平及竖向荷载作用下，对中部设置隔离缝的带构造柱式纵向独立窗间墙、砖砌体窗间墙及一字墙的破坏形态及抗震性能进行了分析比较，得出以下结论:

1）可在窗台墙与窗间墙之间设置通常的竖向隔离缝，将窗间墙转化为非窗间墙，破坏形态由剪切破坏变为弯曲破坏，以提高其抗震性能。

2）设置隔离缝的窗间墙较一般墙抗剪承载力有所降低，但延性大幅提高，抗倒塌能力提高。

表1各模型的ABAQUS分析结果

参考文献:

[1]张文芳.砌体墙的面内受弯损坏形态及其抗震优势实例剖析[J].土木工程学报,2010,43(增):130- 135.

[2]张文芳,马军卫,常建兰.恒压受弯无筋砌体承重墙的受弯能力历经过程特征研究[J].工程力学,2012,6:202- 210.

[3]太原理工大学.免剪切破坏型抗震抗倒砌体建筑及其建造方法:中国200810079314.X[P].2009- 02- 04.

[4]吕伟荣,施楚贤.普通砖砌体受压本构模型[J].建筑结构学报,2006,11:77- 79.

[5] GB 50010- 2010,混凝土结构设计规范[S].中国建筑工业出版社出版,2010.