肖彬 尹新生

(吉林建筑工程學(xué)院寒地綠色建筑技術(shù)工程研究中心，長春130118)

1 概述

加氣混凝土以其經(jīng)濟、利廢、質(zhì)輕、保溫而著稱，是國家倡導(dǎo)的一種綠色環(huán)保材料，在國外，加氣混凝土的良好特性已在建筑工程領(lǐng)域中的應(yīng)用逐步擴大，由此提高了建筑房屋的質(zhì)量，加快了施工進程.多層砌體的地震破壞特征表明:由于開洞墻體洞口處的削弱［1］，地震時最易發(fā)生破壞，在國外，學(xué)者采用配筋混凝土空心砌塊，以及夾心磚和纖維加強等方案來提高砌體的抗震性能［2］.在國內(nèi)，則采用增設(shè)鋼筋混凝土芯柱來提高其抗震性能［3］，而對于加氣混凝土砌塊開洞墻體還沒有進行研究.本文利用有限元軟件ANSYS，對加氣混凝土砌塊開洞墻體采用無構(gòu)造、構(gòu)造柱和水平梁3種方案進行偽靜力實驗?zāi)M分析，探討此類墻體的破壞形式和內(nèi)力分布規(guī)律，討論改善墻體抗震性能的不同措施;并提出在不同豎向荷載的作用下，增強墻體抗震能力的有效方法，為此類建筑提供抗震依據(jù).

2 有限元模型及加載方式

2.1 墻體計算模型

墻體使用加氣混凝土砌塊A 5.0，構(gòu)造柱和水平梁混凝土的強度等級為C 20，利用SOLID 65單元建立墻體的有限元模型，其計算模型尺寸為4.30 m×2.75 m×0.25 m(長×寬×厚)的墻體，洞口尺寸1.5 m×1.5 m，本文采用的3種構(gòu)造措施如下:

(1)無構(gòu)造:洞口周圍不加設(shè)任何構(gòu)造措施;

(2)構(gòu)造柱:在洞口的兩邊加設(shè)截面尺寸為200 mm×200 mm構(gòu)造柱，構(gòu)造柱配置4?12，箍筋為?8@200(如圖1);

圖1 構(gòu)造柱方案計算模型

(3)水平梁:在洞口的兩邊加設(shè)截面尺寸為200 mm×200 mm構(gòu)造柱和下部加設(shè)截面尺寸為200 mm×200 mm水平梁，構(gòu)造柱配置4?12，箍筋為?8@200;水平梁配置4?12，箍筋為?8@200(如圖2).

圖2 水平梁方案計算模型

2.2 有限元分析的基本假設(shè)

(1)圈梁和墻體始終保持相互接觸，墻體與構(gòu)造柱無相對滑動;

(2)加氣混凝土與鋼筋有良好粘結(jié)，兩者無滑移，將兩者的貢獻結(jié)合起來，一次求得綜合剛度矩陣;

(3)混凝土為各向同性材料，材料具有非線性特征;

(4)通過采用Willam-warkne五參數(shù)強度來模擬混凝土的開裂與壓碎破壞.

2.3 材料的性質(zhì)

加氣混凝土材料參數(shù)［4］如表1.

表1 材料參數(shù)

2.4 加載方式

豎向荷載加至0.1 MPa(0.3 MPa)，然后施加低周往復(fù)荷載，模擬墻體的低周反復(fù)試驗時，先進行單調(diào)加載，求得彈性和塑性極限荷載分別為45 kN，70 kN，;然后根據(jù)單調(diào)加載設(shè)計往復(fù)加載制度，開裂前使用力的加載方式，開裂后使用位移加載方式.在ANSYS中施加荷載時，荷載步增量對收斂有較大的影響，一般在開裂前，可采用較大荷載步，臨近開裂荷載時，則應(yīng)盡量減小荷載增量，以保證結(jié)果收斂(收斂允許值取2%～5%)穩(wěn)定性和有效逼近問題的真實解，各方案的加載方式如表2.

表2 加載方式

3 結(jié)果分析

各方案的滯回曲線，如圖3～圖5.

通過ANSYS對加氣混凝土砌塊開洞墻體的分析比較，可得出下列分析結(jié)果:

(1)開裂荷載和開裂位移:無構(gòu)造、構(gòu)造柱、水平梁的開裂位移分別為1.89 mm，1.89 mm，2.20 mm，開裂荷載分別為44 kN、45 kN、55 kN.由此可知，水平梁方案的開裂位移和開裂荷載最大;

(2)極限荷載和極限位移:無構(gòu)造、構(gòu)造柱、水平梁的極限位移分別為5.7 mm，8.2 mm，8.9 mm，極限荷載分別為68.2 kN，92.5 kN，108.3 kN.由此可知，水平梁方案和構(gòu)造柱方案的極限位移和極限荷載要遠遠大于無構(gòu)造方案;

(3)延性和耗能能力:在0.1 MPa豎向荷載作用下，構(gòu)造柱方案和水平梁方案較無構(gòu)造方案其延性系數(shù)有顯著提高.在0.3 MPa豎向荷載作用下，構(gòu)造柱方案和水平梁方案下降段變陡.在相同的豎向荷載作用下，水平梁方案墻體的滯回曲線較構(gòu)造柱方案滯回面積更大，說明其耗能能力更好;

(4)在0.3 MPa豎向荷載作用下，無構(gòu)造、構(gòu)造柱、水平梁的開裂位移分別為2.41 mm，2.43 mm，2.97 mm，開裂荷載分別為42 kN，41 kN，62 kN，極限位移分別為3.7 mm，7.6 mm，8.5 mm，極限荷載分別為80.2 kN，103.8 kN，120.1 kN.

圖3 無構(gòu)造方案

圖4 構(gòu)造柱方案

圖5 水平梁方案

4 結(jié)語

通過上述分析，可得出以下結(jié)論:

(1)水平梁方案、構(gòu)造柱方案較無構(gòu)造方案顯著地提高了開洞墻體的極限荷載和極限位移，有效地約束了砌體的變形，保證了開洞墻體在地震荷載作用下開裂而不發(fā)生倒塌;

(2)水平梁方案、構(gòu)造柱方案明顯改善了開洞墻體的抗震性能，特別是在較小的豎向荷載作用下，隨著方案的不同，所起的作用也不同;

(3)水平梁方案較構(gòu)造柱方案更能提高墻體的整體剛度，其效果優(yōu)于構(gòu)造柱方案;

(4)在較大的豎向荷載作用下，構(gòu)造柱方案和水平梁方案較無構(gòu)造方案抗震性能有所提高，但其剛度和強度出現(xiàn)退化.

［1］高連玉.加氣混凝土應(yīng)用技術(shù)論文集［C］.中國加氣混凝土協(xié)會應(yīng)用技術(shù)部.房材與應(yīng)用編輯部，1999.

［2］Avramidou，M.F.Drdacky，P.P.Prochazka.Strengthening Against Damage of Brick Walls By Yarn Composites［A］.6th International Conference On Inspection［C］.Appraisal，Repairs＆Maintenance of Buildings＆Structures，Dec，1999:Melbourne，Australia.

［3］巴盼鋒，尹新生，李妍.改造加氣混凝土墻豎向承載力分析［J］.吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報，2010，27(3):9-12.

［4］徐德良，劉偉慶，薛彥濤.大開間約束磚砌體墻的非線性分析［J］.世界地震工程，2002(2):20.