榫式复合节能砌块墙体抗震性能有限元分析

冯建新,刘锡军

(1湖南工程职业技术学院,湖南长沙 410151;2湖南科技大学 土木工程学院,湖南湘潭 411201)

0 引言

传统黏土砖在保温、节能、环保方面都不满足国家墙改政策,也不适合社会的发展需求,近年来国家大力推广具有良好保温隔热性能的混凝土空心砌块等新型节能墙体材料.榫式节能砌块是陶粒、煤矸石等混凝土制成的一种轻集料混凝土小型空心砌块,研究榫式复合节能砌块墙体的节能、抗震性能对建设节能型社会,降低国家能耗具有重要意义.

本文对课题组已做的一片榫式复合节能砌块砌体抗震性能进行非线性有限元分析,并与试验结果进行比较.分析表明,模拟分析结果与试验结果较吻合,说明本文建立的有限元模型可以较好地模拟榫式复合节能砌块砌体的性能,为榫式复合节能砌块砌体抗震性能的研究提供一种可靠的分析方法和手段[1].

1 有限元模型的建立

课题组已做的试验墙体尺寸参数为240mmX800mmX 1500mm,采用榫式节能砌块非标准主块尺寸为400mmX 240mmX115mm,辅助砌块尺寸为230mmX240mmX115mm,灰缝为10mm砌筑而成.按照GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》[2]规定,榫式复合节能砌块墙体中每一皮横墙砌块榫口位置放置一根Φ6,每个芯柱中间部位放置一根Φ8.墙顶设置截面尺寸为240mmX200mmX1200mm的圈梁,墙底设置300mmX500mmX 2000mm的底梁,圈梁、底梁的纵筋均用4Φ14,箍筋为Φ6@200.并对榫式复合节能砌块墙体采用荷载-位移控制模式进行低周反复加载抗震试验.

1.1 材料本构关系

在榫式复合节能砌块砌体本构关系中,由于材料和研究方法的不同,目前仍没有一个统一的本构关系.榫式复合节能砌块的材料本构采用过镇海提出的本构关系,其表达式如下:

在本数值模拟中[3],根据MSC2007有限元软件的设置要求,榫式复合节能砌块砌体本构曲线分上升段(弹性阶段)和下降段(塑性阶段),上升段近似程抛物线状采用弹性模量限制,下降段近似呈直线状,其标准化的榫式复合节能砌块砌体受压本构曲线如图1所示.

图1 砌体受压本构曲线

1.2 边界条件及载荷

对于数值模拟的分析,参照试验模型对榫式复合节能砌块砌体及钢筋分别给予相应参数[4],"一字型"榫式复合节能砌块墙体所建立的模型如图2所示.

图2 数值分析模型

材料参数取值:

(1)钢筋:Φ6的钢筋截面面积As=28.26mm2,钢筋实测屈服强度fy=335.1MPa,Φ8的钢筋截面面积As=50.24mm2,钢筋实测屈服强度fy=288.2MPa,Φ6与Φ8的弹性模量均为c.

(2)榫式复合节能砌块砌体:其弹性模量E=3010MPa,泊松比μ=0.191,质量m=877kg/m3.fck=3.52MPa.

(3)底梁与加载梁:参照GB50010-2010《混凝土结构设计规范》要求,C25普通混凝土弹性模量E=2.8x104MPa,泊松比μ=0.2,质量m=2500kg/m3;对于同种型号的竖向与水平钢筋泊松比均取μ=0.3,质量m=7850kg/m3.

依照实际试验情况对榫式复合节能砌块墙体施加荷载,在试件上部施加与试验条件一致的竖向压应力为0.1MPa,其边界条件如图3所示.

图3 数值约束模型

2 有限元模拟结果与试验结果对比分析

2.1 破坏形态对比分析

破坏形态是一种检验榫式复合节能砌块墙体试件实际受力状态的方式.根据试验现象可知,试验结束后墙体的最终裂缝分布和破坏形态如图4所示.荷载加载至24kN时,墙体底部水平灰缝中出现裂缝,继续加载至32kN裂缝向墙内延伸.在低周反复水平荷载作用下,实测裂缝呈现出展开、并拢的现象,墙体转入弹塑性阶段,进入位移控制阶段.随着水平荷载增大,墙体底部水平灰缝中出现多条水平裂缝,墙体正反表面原有水平裂缝有所延伸.随着加载位移增大,当位移控制的水平力至最大荷载值的80%左右时,墙体底端的砌块出现剥落,受压侧墙身端部砌块被压碎,灌芯轻骨料材料暴露并出现较显著的开裂和局部压碎现象.

通过对榫式复合节能砌块砌体的加载进行非线性数值模拟[5-6],对比分析试验与有限元模型所得的墙体裂缝分布(图5)可以得出:有限元模型在墙体两端底部至墙中部的位置裂缝较为明显,此外在墙体底部产生水平通缝,有限元模拟裂缝产生的位置及开展规律与试验模型裂缝的位置及开展规律大致相吻合.

图4 墙体裂缝开展图

图5 有限元裂缝模拟

2.2 滞回曲线对比分析

当墙体荷载低于开裂荷载80%时,试验荷载-位移滞回曲线基本上呈直线,墙体变形和残余变形不显著,顶部位移属于弹性位移.当荷载超过开裂荷载80%时,试验荷载-位移滞回曲线逐渐弯曲,且向位移轴倾斜,滞回环形状逐渐拉大,残余变形增大,且伴随有"捏缩效应"出现,滞回环由弓形转变为反S形.试件墙体开裂后,墙体的剪切滑移越来越明显.卸载时,墙体刚度退化越来越严重.

对比分析试验与有限元模型所得的滞回曲线(图6)可以得出:有限元模型滞回曲线和试验滞回曲线均随着荷载的增大表现出一定的"捏缩"现象,滞回环面积均比较饱满;表明有限元软件计算滞回曲线与试验结果能较好地吻合,能有效地模拟榫式复合节能砌块墙体受力的全过程.

图6 数值与试验滞回曲线对比

2.3 骨架曲线对比分析

试验曲线大致可以分为上升段、平缓段和下降段.在开裂前榫式节能砌块砌体试验试件刚度很大,骨架曲线呈直线上升状,位移与力保持着线性关系;当墙体开裂后骨架曲线开始出现弯曲,随着荷载增加达到极限荷载后,骨架曲线开始往下弯曲变化,其承载能力和刚度均出现降低现象,当荷载下降至极限荷载的80%左右,墙体破坏.

对比分析试验与有限元模型所得的骨架曲线(图7)可以得出:有限元模型骨架曲线基本分为上升段、平缓段和下降段,其数值模拟计算出的结果所反映的承载力较高于试验骨架曲线,但有限元模型骨架曲线与试验骨架曲线所反映的初始刚度相似度较高,表明有限元软件计算骨架曲线与试验结果能较好地吻合.

3 结论

图7 数值与试验骨架曲线对比

本文利用MSC2007有限元软件模拟榫式复合节能砌块砌体结构,结合试验实例对破坏形态、滞回曲线、骨架曲线等进行了对比,得到以下结论:

(1)有限元模型墙体裂缝开展与试验结果吻合较好,利用非线性有限元可以较好地模拟榫式复合节能砌块砌体墙,能较好满足理论分析及工程实际要求;

(2)有限元模型滞回曲线和试验滞回曲线均随着荷载的增大表现出一定的"捏缩"现象,滞回环面积均比较饱满;表明有限元软件计算滞回曲线与试验结果能较好地吻合,能有效地模拟榫式复合节能砌块墙体受力的全过程;

(3)有限元模型骨架曲线基本分为上升段、平缓段和下降段,其数值模拟计算出的结果所反映的承载力较高于试验骨架曲线,但有限元模型骨架曲线与试验骨架曲线所反映的初始刚度相似度较高,表明有限元软件计算骨架曲线与试验结果能较好地吻合.