不同高宽比下自保温榫式砌块灌芯砌体墙抗震性能数值模拟研究*

徐 云

(上海宝冶集团有限公司，上海 200941)

0 引言

自保温榫式砌块是新型轻骨料混凝土砌块，具备良好的保温隔热性能，是节能型墙体材料，如图1所示。由自保温榫式砌块砌筑而成，并在砌块孔洞灌注轻骨料混凝土的墙体为新型灌芯砌体结构，对该墙体的研究较少。路军[1]利用有限元软件ABAQUS对超限配筋砌块砌体剪力墙建立数值模型，通过对比实测周期与振型，验证了模型的正确性，并对结构在6度多遇地震作用下的弹塑性时程反应进行了分析，评估了结构抗震性能；李利刚[2]对6片砌块整浇墙进行了低周往复水平荷载试验，通过恢复力特性分析，得到了墙体特征变形、特征承载力、耗能能力、刚度退化参数、延性系数等抗震性能指标；陈良[3]通过2片N式砌块配筋砌体剪力墙在低周往复水平荷载作用下的试验研究，对墙体极限承载力、初始刚度、刚度退化曲线、延性比和开裂转角等重要抗震性能指标进行了研究；张秀亮[4]对8种不同构造措施的长臂配筋砌块剪力墙抗剪性能进行了有限元分析，研究了不同灌芯率、芯柱混凝土强度、洞口尺寸对配筋砌块砌体墙的影响；李平[5]采用微观有限单元法对配筋砌块砌体剪力墙进行了分析，讨论了不同高宽比、灌芯率和水平钢筋配筋率对剪力墙抗剪承载力的影响。

图1 自保温榫式砌块

高宽比是影响墙体抗震性能的重要指标之一[6-9]。依托自保温榫式砌块灌芯砌体墙进行低周往复水平荷载作用下的试验结果，本文利用有限元软件MSC.Marc对墙体进行数值模拟分析。在数值模拟分析结果与试验结果吻合程度较高的前提下，将试件高宽比由1.875改为1.250，0.938，进行数值模拟分析。由恢复力特性分析得到墙体破坏形态、滞回曲线与骨架曲线、刚度退化与延性系数等抗震性能指标分别进行对比，研究高宽比对自保温榫式砌块灌芯砌体墙抗震性能的影响。

1 试验与数值模拟分析对比

建立自保温榫式砌块灌芯砌体墙有限元模型时，将自保温榫式砌块、混合砂浆及陶粒混凝土作为整体结构，即灌芯砌体，采用shell75壳单元模拟。将钢筋作为独立单元，采用truss9桁架单元模拟。

经实测得到数值模拟分析所需的灌芯砌体等效塑性应力-应变曲线，扣除弹性阶段应变[10]，弹性模量为3 010MPa，泊松比为0.191。HPB300钢筋采用等效塑性应力-应变曲线[11]。灌芯砌体与钢筋均采用Von Mises屈服准则，砌体墙试验骨架曲线如图2所示，数值模拟骨架曲线如图3所示，图中推力为正，拉力为负。

图2 试验骨架曲线

图3 数值模拟骨架曲线

试验结果表明，砌体墙正、反向开裂荷载分别为32.51，-32.30kN，正、反向开裂位移分别为2.06，-2.04mm，正、反向极限承载力分别为48.60，-49.80kN，正、反向破坏位移分别为15.99，-16.35mm。

数值模拟分析结果表明，砌体墙正、反向开裂荷载分别为36.75，-37.52kN，正、反向开裂位移分别为2.0，-2.0mm，正、反向极限承载力分别为49.78，-50.41kN，正、反向破坏位移分别为15.00，-15.50mm。

由上述结果可知，数值模拟分析得到的砌体墙正、反向开裂荷载与试验得到的开裂荷载相差约15%，正、反向开裂位移相差约3%，正、反向极限承载力相差约3%，正、反向破坏位移相差约5%。对比砌体墙特征荷载、特征位移等，可知数值模拟分析与试验结果吻合程度较高。

2 高宽比影响分析

在墙体高度为1 500mm的情况下，根据实际砌块尺寸改变墙体宽度，以改变高宽比。制作试验模型时，采用2块砌块，砌筑宽度为800mm，高宽比为1.875。数值模型宽度分别取800，1 200，1 600mm，对应的高宽比分别为1.875，1.250，0.938。数值模型其他参数设置与试验模型相同。

图5 砌体墙反向破坏形态

2.1 破坏形态

数值模拟分析得到不同高宽比下砌体墙破坏形态，如图4，5所示。由图4，5可知，不同高宽比下，砌体墙正、反向破坏形态均表现为墙底角部受压破坏，且均表现出弯曲破坏特征，但随着高宽比的减小，破坏范围由角部逐渐向中部扩展，可知当高宽比<0.938时，可能发生弯剪破坏或剪切破坏，这与一般墙体受地震作用的实际破坏形态相同。因此，对此类新型墙体进行抗震设计时，对易破坏部位进行加强处理时，可参考相关成熟的砌体墙研究成果。

图4 砌体墙正向破坏形态

2.2 滞回曲线与骨架曲线

数值模拟分析得到不同高宽比下砌体墙滞回曲线与骨架曲线，如图6，7所示。由图6可知，不同高宽比下砌体墙滞回曲线均较对称，均表现出了“捏缩”效应。高宽比越大，滞回环越偏向于横坐标轴(位移轴)，变形越大；高宽比越小，滞回环越偏向于纵坐标轴(荷载轴)，承载力越大。

图6 砌体墙滞回曲线

由图7可知，随着高宽比的减小，砌体墙骨架曲线越偏向于纵坐标轴(荷载轴)，承载力提高；随着高宽比的增大，砌体墙骨架曲线越偏向于横坐标轴(位移轴)，承载力降低。

图7 砌体墙骨架曲线

2.3 位移延性系数与刚度退化

由于延性系数与刚度退化均可由特征荷载与特征位移得到，因此首先确定不同高宽比下砌体墙特征荷载与特征位移。在砌体墙骨架曲线的基础上，采用文献[12]中的“通用屈服弯矩法”得到不同高宽比下砌体墙屈服荷载与屈服位移，其中正向骨架曲线确定的特征荷载与特征位移如表1所示。由表1可知，砌体墙特征荷载均随着高宽比的减小而增大,高宽比的改变对砌体墙特征位移的影响较小。当高宽比为1.875时，砌体墙可承受的最大地震作用为49.78kN；当高宽比为1.250时，砌体墙可承受的最大地震作用为104.89kN；当高宽比为0.938时，砌体墙可承受的最大地震作用为178.91kN。在高宽比变化较小的情况下，砌体墙极限承载力变化较大，可知高宽比对砌体墙极限承载力的影响较大。

表1 砌体墙特征荷载与特征位移

本研究自保温榫式砌块灌芯砌体墙属于悬臂构件，可采用位移延性系数评价其延性。高宽比为1.875，1.250，0.938时的砌体墙位移延性系数分别为5.17，5.02，4.93，可知位移延性系数随着高宽比的增大而增大，说明高宽比越大，砌体墙延性越好，在地震作用下越表现为延性破坏，抗震效果越好。

研究刚度退化时采用折算刚度(砌体墙顶部水平力与水平位移比值)。砌体墙开裂前处于弹性阶段，不考虑刚度退化，因此从砌体墙开裂后考虑刚度退化。不同高宽比下砌体墙刚度退化曲线如图8所示。

图8 砌体墙刚度退化曲线

由图8可知，当高宽比为0.938时，砌体墙初始刚度为75kN/mm左右；当高宽比为1.250时，砌体墙初始刚度为40kN/mm左右；当高宽比为1.875时，砌体墙初始刚度为20kN/mm左右。随着高宽比的减小，砌体墙初始刚度增大，且增幅较大。随着高宽比的增大，砌体墙刚度退化曲线越平缓。

3 结语

1)当高宽比为0.938，1.250，1.875时，自保温榫式砌块灌芯砌体墙表现出弯曲破坏特征。在墙角薄弱部位采取成熟的砌体墙抗震设计措施是可行的。

2)不同高宽比下自保温榫式砌块灌芯砌体墙滞回曲线均较对称，均表现出了“捏缩”效应。高宽比越大，滞回环越偏向于横坐标轴(位移轴)，变形越大；高宽比越小，滞回环越偏向于纵坐标轴(荷载轴)，承载力越大。

3)随着高宽比的减小，自保温榫式砌块灌芯砌体墙骨架曲线越偏向于纵坐标轴(荷载轴)，承载力提高；随着高宽比的增大，砌体墙骨架曲线越偏向于横坐标轴(位移轴)，承载力降低。

4)随着高宽比的增大，自保温榫式砌块灌芯砌体墙位移延性系数增大，说明高宽比越大，砌体墙延性越好，在地震作用下越表现为延性破坏，抗震效果越好。

5)随着高宽比的减小，自保温榫式砌块灌芯砌体墙初始刚度增大，且增幅较大。随着高宽比的增大，砌体墙刚度退化曲线越平缓。