改善加氣混凝土砌塊開洞墻體抗震性分析

肖彬 尹新生

(吉林建筑工程學院寒地綠色建筑技術工程研究中心，長春130118)

1 概述

加氣混凝土以其經濟、利廢、質輕、保溫而著稱，是國家倡導的一種綠色環保材料，在國外，加氣混凝土的良好特性已在建筑工程領域中的應用逐步擴大，由此提高了建筑房屋的質量，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］，地震時最易發生破壞，在國外，學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，則采用增設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造、構造柱和水平梁3種方案進行偽靜力實驗模擬分析，探討此類墻體的破壞形式和內力分布規律，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.

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種構造措施如下:

(1)無構造:洞口周圍不加設任何構造措施;

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

圖1 構造柱方案計算模型

(3)水平梁:在洞口的兩邊加設截面尺寸為200 mm×200 mm構造柱和下部加設截面尺寸為200 mm×200 mm水平梁，構造柱配置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

(1)圈梁和墻體始終保持相互接觸，墻體與構造柱無相對滑動;

(2)加氣混凝土與鋼筋有良好粘結，兩者無滑移，將兩者的貢獻結合起來，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五參數強度來模擬混凝土的開裂與壓碎破壞.

2.3 材料的性質

加氣混凝土材料參數［4］如表1.

表1 材料參數

2.4 加載方式

豎向荷載加至0.1 MPa(0.3 MPa)，然后施加低周往復荷載，模擬墻體的低周反復試驗時，先進行單調加載，求得彈性和塑性極限荷載分別為45 kN，70 kN，;然后根據單調加載設計往復加載制度，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，則應盡量減小荷載增量，以保證結果收斂(收斂允許值取2%～5%)穩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，可得出下列分析結果:

(1)開裂荷載和開裂位移:無構造、構造柱、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:無構造、構造柱、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，水平梁方案和構造柱方案的極限位移和極限荷載要遠遠大于無構造方案;

(3)延性和耗能能力:在0.1 MPa豎向荷載作用下，構造柱方案和水平梁方案較無構造方案其延性系數有顯著提高.在0.3 MPa豎向荷載作用下，構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，無構造、構造柱、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 無構造方案

圖4 構造柱方案

圖5 水平梁方案

4 結語

通過上述分析，可得出以下結論:

(1)水平梁方案、構造柱方案較無構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生倒塌;

(2)水平梁方案、構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)水平梁方案較構造柱方案更能提高墻體的整體剛度，其效果優于構造柱方案;

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

［1］高連玉.加氣混凝土應用技術論文集［C］.中國加氣混凝土協會應用技術部.房材與應用編輯部，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］.吉林建筑工程學院學報，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.