无砂浆砌体墙体抗震性能分析范文

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《自然灾害学报》2014年第二期

1自嵌固砌块的几何形式确定

参考我国《混凝土小型空心砌块》［8］(GB8239－1997)、《混凝土小型空心砌块建筑技术规程》［9］(JGJ/T－14－2004J361－2004)等规程，混凝土小型空心砌块主要分为普通混凝土砌块和轻骨料小型混凝土砌块，主规格尺寸为390mm×190mm×190mm，空心率一般为25%～50%。按照《混凝土小型空心砌块》(GB8239－1997)技术要求，混凝土小型空心砌块最小外壁厚不应小于30mm，中间肋厚应不小于25mm。本文在确定自嵌固砌块几何尺寸时，主要考虑我国建筑习惯及模数与普通砌块相衔接，考虑不用砂浆或较少使用砂浆，主规格尺寸取400mm×200mm×200mm，采用平面凸起与凹进、侧面凸起与凹进进行砌块自行嵌固，几何形式见图1，砌块具体几何尺寸见图2。本文中砌块材料选用普通混凝土，强度选用为C20，其应力－应变关系采用《混凝土结构设计规范》［10］(GB50010－2010)附录C提供的混凝土应力应变关系，单轴受拉和单轴受压分别见式(1)和式(2)。砌块空心率为37．25%，按照普通混凝土密度2350kg/m3，砌块质量为23．594kg。自嵌固凸起和凹进的几何尺寸主要参考混凝土小型空心砌块基本尺寸要求选用较小值确定，同时考虑砌块制作和施工的方便性。对于自嵌固砌块，外观尺寸偏差与砌块外观质量需要有严格的要求，建议采用目前混凝土小型空心砌块优等品来控制。

2自嵌固砌体的基本力学性能分析

鉴于本文处于初步研究阶段，自嵌固砌块还没有进行试验测试，其砌体强度采用数值模拟确定。数值模拟采用大型有限元ABAQUS6．10软件，砌块与砌块采用接触单元(interactionsurface)连接，混凝土采用该软件中Concretedamagedplasticity模型模拟，具体可参考文献［11］。试验方法采用《砌体基本力学性能试验方法标准》［12］(GB/T50129－2011)方法，砌块抗压强度试验参考该标准4．1．2条。抗压试件厚度为砌块厚度，试件宽度去主规格砌块长度的1．5倍，高度取5皮砌块的厚度，具体数值模型见图3。砌体沿通缝截面抗剪强度试验采用参考《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T50129－2011)第5．0．1条，采用双剪试件，具体见图4。采用上述数值模型进行分析，得到自嵌固砌体承受竖向压力和竖向变形关系见图5。从图5可以看出在压力达到最大值时，砌体基本处于弹性状态，当压力超过最大值后，承载能力迅速下降，最后破坏状态见图7(a)。最大压力为700．8kN，通过计算得到砌体抗压强度为5．84MPa。自嵌固砌体沿通缝截面承受剪力与变形的关系见图6。随着水平剪力达到最大值，抗剪强度迅速下降，最终剪切破坏状体见图7(b)。最大剪力达到68．8kN，通过计算得到砌体抗剪强度为0．43MPa。参考砌体规范给出普通混凝土砌块抗压强度和抗剪强度相比，抗压强度与MU20和Mb15砌块抗压强度设计值接近，而抗剪强度由于自嵌固的存在，远大于砌体结构设计规范［13］给出的抗剪强度设计值。

3自嵌固墙片抗震性能分析

3．1墙片几何参数在本文中，选择墙体宽度为2m，高度分别为1．2m，2m和2．8m的3片自嵌固墙片，截面宽度为0．2m。3片墙分别定义为Wall－1(2m×1．4m×0．2m)、Wall－2(2m×2m×0．2m)和Wall－3(2m×2．8m×0．2m)，高宽比分别为0．6，1．0和1．4，有限元模型立面图见图8。分别考虑内部不填充和局部填充两种情况，有限元模型平面图分别见图9和图10。竖向压力分别考虑0．3MPa和0．6MPa两种情况。墙体底部固定，上部加加载梁。由于非线性分析需要大量时间，故本文首先对上述情况进行单调加载，测试墙体的强度和变形。然后对Wall－2，竖向0．3MPa和0．6MPa墙片进行低周反复加载，测试其滞回特性。填充采用C20混凝土，中间配置4Φ6的钢筋，填充面积占墙体总平面面积的12%。3．2单调加载分析结果通过水平单调位移加载，分别得到3片墙体在竖向压力0．3MPa，有填充和没有填充情况下水平剪力和墙顶水平位移之间的关系，分别见图11、图12和图13。从图11可以看出，在轴向压力为0．3MPa情况下，高宽比为0．6墙体Wall－1随着墙顶水平位移的增加，未填充和局部填充两种情况，墙体水平承载力很快达到最大值，分别为85．35kN和130．77kN，对应的位移为1．2mm和2．4mm。局部填充后墙体最大水平承载力提高了53．2%，达到最大承载力时位移也增加了，两种情况墙体初始刚度近似相等。从图12可知，高宽比为1．0墙体Wall－2随着墙顶水平位移的增加，未填充和局部填充两种情况墙体水平承载力很快达到最大值，分别为62．5kN和87．7kN，对应的位移为

3．2mm和5mm，从中可知局部填充后，对Wall－2水平承载力提高约有40．3%。从图13可知，高宽比为1．4墙体Wall－3随着墙顶水平位移增加，墙体水平承载力很快达到最大值，分别为46．8kN和61．8kN，对应的位移分别为6mm和11．4mm，局部填充提高了近32%。从图11、图12和图13可以看出，高宽比较小的墙体，水平抗剪承载力较大，相对变形能力较小，对于相同填充情况下，高宽比越小，填充对墙体水平承载能力提高越大。另外在初始加载阶段，局部填充对墙体的初始侧移刚度影响不大。对于高宽比为1．0墙体Wall－2，对比分析了轴向压力为0．3MPa和0．6MPa墙体水平荷载和位移的关系，见图14。在没有填充情况下，轴向压力增加，大大提高了墙体抗剪能力，提高了近46%，且轴力增加后，墙体抗剪承载力达到最大值后，强度下降较快。墙体局部填充后，轴向压力增加同样增加了墙体的抗剪能力，但相比没有填充情况增加的较少，增加了17%。

3．3低周反复加载分析结果在本文中，针对高宽比为1．0墙体Wall－2进行低周反复加载数值模拟，加载方式是以水平位移加载于加载梁顶端，在反复加载作用下，未填充和局部填充的墙体滞回曲线见图15。从图15可以看出，新型砌体墙片与传统砌块墙体滞回特性相似，在变形较小时，墙体水平抗剪强度达到最大值，然后随着位移增加，未填充墙体强度逐渐减小，而局部填充后，水平抗剪强度明显增加，滞回曲线相对比较饱满，耗能能力较强。两种情况墙体最后破坏情况见图16。从图16可以看出，新型砌体墙片在水平荷载作用下，破坏形式与传统砌块墙体破坏形式有所不同，传统砌块墙体在水平荷载作用下一般会出现斜向十字裂缝，破坏比较集中。而新型砌体由于是通过砌块直接相互嵌固和摩擦提高剪力，故破坏比较分散，下部破坏比较严重。而局部填充后，从图16(b)可以看出，除墙体底部破坏稍微严重外，整体墙体砌块都有一定程度的破坏，这样由于破坏比较分散，有利于墙片抗震。

4与规范砌块强度公式计算进行对比

针对本文数值模拟分析的三片墙体，假如按照普通混凝土砌块砌筑，其抗剪强度按照规范［13］计算，并和本文提出新型砌块墙体抗剪强度进行对比分析。参考砌体结构设计规范(GB50003－2011)，普通混凝土砌块抗剪承载力按式(3)计算，带构造柱或芯柱的抗剪承载力计算按式(4)计算。式中:fV是非抗震设计砌体抗剪强度设计值;按照规范，考虑到村镇砌体结构砂浆质量一般较差，这里选用0．06MPa;ξN是砌体抗震抗剪强度正应力影响系数，按照表10．3．1采用，正应力为0．3MPa时，选用2．15，正应力为0．6Mpa时，选用3．02;A为墙体横截面积;γRE为承载力调整系数，取1．0。从表1对比可以看出，按照规范计算的普通砌块抗剪强度在高宽比较小情况下，计算所得比新型砌块墙体模拟所得要小，而当高宽比为1．4情况下，规范在考虑填充和不考虑填充两种情况下，计算所得比模拟所得都要小一些。但如果直接采用本文前面得出的新型砌块抗剪强度0．43MPa计算墙体抗剪强度，得到墙体抗剪强度为369．8kN，远大于模拟得的墙体抗剪强度和同类普通砌块砌筑墙体的抗剪强度。从上述分析可以看出，新型砌块与普通砌块相比，具有相当的抗剪强度，甚至优于普通砌块砌筑的墙体。但新型砌体抗剪强度计算公式还不能直接采用现行规范计算公式，而需要进一步研究和修正。

5结语

我国村镇住宅抗震性能较差，特别是中西部经济不发达，地震频发的地区，改善村镇住宅抗震性能是一件十分迫切的事情。故结合我国农村现状，提出有效可行的方法是国家和许多研究者努力的目标。作者在这背景下，提出一种新型自嵌固砌体，用于村镇房屋的建设。本文主要针对该类新型砌块，在研究其抗压和抗剪强度基础上，通过高宽比不同的三种墙片，分析其在单调荷载和低周反复加载下的抗剪性能，通过数值模拟结果可以看出，该类新型墙体具有良好的抗震性能，局部填充后，其抗震性能得到进一步的改进和提高。通过与规范公式计算的普通砌块抗剪强度对比分析，也表明了该类新型墙体具有可靠的抗震性能，不过同数值计算抗剪强度和规范公式计算抗剪强度对比发现，新型墙体抗震验算公式需要进行修正，不能直接套用砌体设计规范提供的公式。本文的研究是处于初步阶段，该文所有工作都是基于数值模拟完成的，缺乏试验数据的支持与验证，这在今后的研究中得以补充和完善。

作者：马宏旺张冬冬陈龙珠单位：上海交通大学船建学院安全防灾工程研究所