馮建新,劉錫軍

(1湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410151;2湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南湘潭 411201)

0 引言

傳統(tǒng)黏土磚在保溫、節(jié)能、環(huán)保方面都不滿足國(guó)家墻改政策,也不適合社會(huì)的發(fā)展需求,近年來(lái)國(guó)家大力推廣具有良好保溫隔熱性能的混凝土空心砌塊等新型節(jié)能墻體材料.榫式節(jié)能砌塊是陶粒、煤矸石等混凝土制成的一種輕集料混凝土小型空心砌塊,研究榫式復(fù)合節(jié)能砌塊墻體的節(jié)能、抗震性能對(duì)建設(shè)節(jié)能型社會(huì),降低國(guó)家能耗具有重要意義.

本文對(duì)課題組已做的一片榫式復(fù)合節(jié)能砌塊砌體抗震性能進(jìn)行非線性有限元分析,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較.分析表明,模擬分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較吻合,說(shuō)明本文建立的有限元模型可以較好地模擬榫式復(fù)合節(jié)能砌塊砌體的性能,為榫式復(fù)合節(jié)能砌塊砌體抗震性能的研究提供一種可靠的分析方法和手段[1].

1 有限元模型的建立

課題組已做的試驗(yàn)墻體尺寸參數(shù)為240mmX800mmX 1500mm,采用榫式節(jié)能砌塊非標(biāo)準(zhǔn)主塊尺寸為400mmX 240mmX115mm,輔助砌塊尺寸為230mmX240mmX115mm,灰縫為10mm砌筑而成.按照GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]規(guī)定,榫式復(fù)合節(jié)能砌塊墻體中每一皮橫墻砌塊榫口位置放置一根Φ6,每個(gè)芯柱中間部位放置一根Φ8.墻頂設(shè)置截面尺寸為240mmX200mmX1200mm的圈梁,墻底設(shè)置300mmX500mmX 2000mm的底梁,圈梁、底梁的縱筋均用4Φ14,箍筋為Φ6@200.并對(duì)榫式復(fù)合節(jié)能砌塊墻體采用荷載-位移控制模式進(jìn)行低周反復(fù)加載抗震試驗(yàn).

1.1 材料本構(gòu)關(guān)系

在榫式復(fù)合節(jié)能砌塊砌體本構(gòu)關(guān)系中,由于材料和研究方法的不同,目前仍沒有一個(gè)統(tǒng)一的本構(gòu)關(guān)系.榫式復(fù)合節(jié)能砌塊的材料本構(gòu)采用過(guò)鎮(zhèn)海提出的本構(gòu)關(guān)系,其表達(dá)式如下:

在本數(shù)值模擬中[3],根據(jù)MSC2007有限元軟件的設(shè)置要求,榫式復(fù)合節(jié)能砌塊砌體本構(gòu)曲線分上升段(彈性階段)和下降段(塑性階段),上升段近似程拋物線狀采用彈性模量限制,下降段近似呈直線狀,其標(biāo)準(zhǔn)化的榫式復(fù)合節(jié)能砌塊砌體受壓本構(gòu)曲線如圖1所示.

圖1 砌體受壓本構(gòu)曲線

1.2 邊界條件及載荷

對(duì)于數(shù)值模擬的分析,參照試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)榫式復(fù)合節(jié)能砌塊砌體及鋼筋分別給予相應(yīng)參數(shù)[4],"一字型"榫式復(fù)合節(jié)能砌塊墻體所建立的模型如圖2所示.

圖2 數(shù)值分析模型

材料參數(shù)取值:

(1)鋼筋:Φ6的鋼筋截面面積As=28.26mm2,鋼筋實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度f(wàn)y=335.1MPa,Φ8的鋼筋截面面積As=50.24mm2,鋼筋實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度f(wàn)y=288.2MPa,Φ6與Φ8的彈性模量均為c.

(2)榫式復(fù)合節(jié)能砌塊砌體:其彈性模量E=3010MPa,泊松比μ=0.191,質(zhì)量m=877kg/m3.fck=3.52MPa.

(3)底梁與加載梁:參照GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,C25普通混凝土彈性模量E=2.8x104MPa,泊松比μ=0.2,質(zhì)量m=2500kg/m3;對(duì)于同種型號(hào)的豎向與水平鋼筋泊松比均取μ=0.3,質(zhì)量m=7850kg/m3.

依照實(shí)際試驗(yàn)情況對(duì)榫式復(fù)合節(jié)能砌塊墻體施加荷載,在試件上部施加與試驗(yàn)條件一致的豎向壓應(yīng)力為0.1MPa,其邊界條件如圖3所示.

圖3 數(shù)值約束模型

2 有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

2.1 破壞形態(tài)對(duì)比分析

破壞形態(tài)是一種檢驗(yàn)榫式復(fù)合節(jié)能砌塊墻體試件實(shí)際受力狀態(tài)的方式.根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象可知,試驗(yàn)結(jié)束后墻體的最終裂縫分布和破壞形態(tài)如圖4所示.荷載加載至24kN時(shí),墻體底部水平灰縫中出現(xiàn)裂縫,繼續(xù)加載至32kN裂縫向墻內(nèi)延伸.在低周反復(fù)水平荷載作用下,實(shí)測(cè)裂縫呈現(xiàn)出展開、并攏的現(xiàn)象,墻體轉(zhuǎn)入彈塑性階段,進(jìn)入位移控制階段.隨著水平荷載增大,墻體底部水平灰縫中出現(xiàn)多條水平裂縫,墻體正反表面原有水平裂縫有所延伸.隨著加載位移增大,當(dāng)位移控制的水平力至最大荷載值的80%左右時(shí),墻體底端的砌塊出現(xiàn)剝落,受壓側(cè)墻身端部砌塊被壓碎,灌芯輕骨料材料暴露并出現(xiàn)較顯著的開裂和局部壓碎現(xiàn)象.

通過(guò)對(duì)榫式復(fù)合節(jié)能砌塊砌體的加載進(jìn)行非線性數(shù)值模擬[5-6],對(duì)比分析試驗(yàn)與有限元模型所得的墻體裂縫分布(圖5)可以得出:有限元模型在墻體兩端底部至墻中部的位置裂縫較為明顯,此外在墻體底部產(chǎn)生水平通縫,有限元模擬裂縫產(chǎn)生的位置及開展規(guī)律與試驗(yàn)?zāi)Ｐ土芽p的位置及開展規(guī)律大致相吻合.

圖4 墻體裂縫開展圖

圖5 有限元裂縫模擬

2.2 滯回曲線對(duì)比分析

當(dāng)墻體荷載低于開裂荷載80%時(shí),試驗(yàn)荷載-位移滯回曲線基本上呈直線,墻體變形和殘余變形不顯著,頂部位移屬于彈性位移.當(dāng)荷載超過(guò)開裂荷載80%時(shí),試驗(yàn)荷載-位移滯回曲線逐漸彎曲,且向位移軸傾斜,滯回環(huán)形狀逐漸拉大,殘余變形增大,且伴隨有"捏縮效應(yīng)"出現(xiàn),滯回環(huán)由弓形轉(zhuǎn)變?yōu)榉碨形.試件墻體開裂后,墻體的剪切滑移越來(lái)越明顯.卸載時(shí),墻體剛度退化越來(lái)越嚴(yán)重.

對(duì)比分析試驗(yàn)與有限元模型所得的滯回曲線(圖6)可以得出:有限元模型滯回曲線和試驗(yàn)滯回曲線均隨著荷載的增大表現(xiàn)出一定的"捏縮"現(xiàn)象,滯回環(huán)面積均比較飽滿;表明有限元軟件計(jì)算滯回曲線與試驗(yàn)結(jié)果能較好地吻合,能有效地模擬榫式復(fù)合節(jié)能砌塊墻體受力的全過(guò)程.

圖6 數(shù)值與試驗(yàn)滯回曲線對(duì)比

2.3 骨架曲線對(duì)比分析

試驗(yàn)曲線大致可以分為上升段、平緩段和下降段.在開裂前榫式節(jié)能砌塊砌體試驗(yàn)試件剛度很大,骨架曲線呈直線上升狀,位移與力保持著線性關(guān)系;當(dāng)墻體開裂后骨架曲線開始出現(xiàn)彎曲,隨著荷載增加達(dá)到極限荷載后,骨架曲線開始往下彎曲變化,其承載能力和剛度均出現(xiàn)降低現(xiàn)象,當(dāng)荷載下降至極限荷載的80%左右,墻體破壞.

對(duì)比分析試驗(yàn)與有限元模型所得的骨架曲線(圖7)可以得出:有限元模型骨架曲線基本分為上升段、平緩段和下降段,其數(shù)值模擬計(jì)算出的結(jié)果所反映的承載力較高于試驗(yàn)骨架曲線,但有限元模型骨架曲線與試驗(yàn)骨架曲線所反映的初始剛度相似度較高,表明有限元軟件計(jì)算骨架曲線與試驗(yàn)結(jié)果能較好地吻合.

3 結(jié)論

圖7 數(shù)值與試驗(yàn)骨架曲線對(duì)比

本文利用MSC2007有限元軟件模擬榫式復(fù)合節(jié)能砌塊砌體結(jié)構(gòu),結(jié)合試驗(yàn)實(shí)例對(duì)破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線等進(jìn)行了對(duì)比,得到以下結(jié)論:

(1)有限元模型墻體裂縫開展與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,利用非線性有限元可以較好地模擬榫式復(fù)合節(jié)能砌塊砌體墻,能較好滿足理論分析及工程實(shí)際要求;

(2)有限元模型滯回曲線和試驗(yàn)滯回曲線均隨著荷載的增大表現(xiàn)出一定的"捏縮"現(xiàn)象,滯回環(huán)面積均比較飽滿;表明有限元軟件計(jì)算滯回曲線與試驗(yàn)結(jié)果能較好地吻合,能有效地模擬榫式復(fù)合節(jié)能砌塊墻體受力的全過(guò)程;

(3)有限元模型骨架曲線基本分為上升段、平緩段和下降段,其數(shù)值模擬計(jì)算出的結(jié)果所反映的承載力較高于試驗(yàn)骨架曲線,但有限元模型骨架曲線與試驗(yàn)骨架曲線所反映的初始剛度相似度較高,表明有限元軟件計(jì)算骨架曲線與試驗(yàn)結(jié)果能較好地吻合.