孫爍爍，李娟娟，田玉蕊

（商丘工學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 商丘 476000）

1 前言

生土結(jié)構(gòu)房屋是人類重要的安全庇護(hù)場(chǎng)所，在我國(guó)農(nóng)村地區(qū)，部分居民依然生活在各式生土建筑中[1]，為了改變傳統(tǒng)生土結(jié)構(gòu)整體性欠缺、材料性能低劣的缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究人員提出了一種新型的砌筑方式，不使用砂漿等砌筑材料，利用自嵌固生土砌塊的凸起和凹陷進(jìn)行砌筑。自嵌固生土結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，能夠提高生土結(jié)構(gòu)的建筑效率和精度，符合建筑行業(yè)裝配式的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用前景非常廣泛。

Safiee 等[2]對(duì)自嵌固剪力墻體進(jìn)行了試驗(yàn)，研究表明墻體的長(zhǎng)細(xì)比在一定程度上影響著墻體的各項(xiàng)力學(xué)性能。Rogiros Illampas 等[3]對(duì)生土結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)和有限元分析，結(jié)果表明砌塊本身以及連接方式直接影響房屋的抗震性能。

馬宏旺等人設(shè)計(jì)了一種自嵌固的混凝土砌塊，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元分析可知，在墻體中設(shè)置構(gòu)造措施，例如添加上下貫通的芯柱，能夠提高自嵌固墻體的抗震性能[4]。王毅紅等[5]在自嵌固生土磚中加入適合的麥秸和水泥，能夠有效提高生土磚的抗壓、抗拉等性能。楊輝[6]對(duì)夯土墻進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值分析，研究了夯土墻的抗剪承載力的計(jì)算公式。

本文在已有試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用ABAQUS 有限元模擬軟件，建立與試驗(yàn)試件相對(duì)應(yīng)的有限元模型，研究了墻體不同寬度對(duì)抗震承載力的影響，為自嵌固生土結(jié)構(gòu)的后續(xù)研究提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的生土結(jié)構(gòu)，抗震性能有明顯的缺陷，例如整體性差，抗震能力弱，缺乏有效的抗震措施等。為了提高自嵌固生土墻體的抗震能力，需要采取有效的加固措施和抗震設(shè)計(jì)，因此參考的自嵌固生土墻體試驗(yàn)中，墻體設(shè)置了混凝土構(gòu)造柱和加強(qiáng)梁，通過(guò)框架整體的約束，加強(qiáng)墻體的整體性，能夠明顯提高墻體的抗震承載能力和變形能力。

根據(jù)常見(jiàn)生土結(jié)構(gòu)和村鎮(zhèn)房屋墻體的實(shí)際尺寸，結(jié)合自嵌固生土磚的尺寸，設(shè)計(jì)1:2縮尺墻體試驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ｐ蛪w寬度2400mm，高度為1530mm，厚度為120mm，構(gòu)造柱截面為正方形，尺寸為120mm。

通過(guò)低周往復(fù)荷載對(duì)自嵌固生土墻體進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)，同時(shí)考慮上部荷載對(duì)墻體的作用，在試驗(yàn)開(kāi)始之前，上部荷載通過(guò)加載裝置施加到墻體頂面。根據(jù)縮尺比例以及實(shí)際荷載情況計(jì)算，豎向壓應(yīng)力為0.219 MPa。試驗(yàn)的加載方式通過(guò)位移控制，位移按照不同級(jí)別循環(huán)施加，首先對(duì)墻體施加一個(gè)推動(dòng)的位移，再施加拉動(dòng)位移。當(dāng)墻體破壞明顯或者荷載下降到極限荷載的85%時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)。加載制度分為兩個(gè)階段，第一階段荷載每循環(huán)一次，加載位移增加1mm，加載6 次；第二階段，荷載每循環(huán)兩次，加載位移增加2mm，直到試件滿足破壞條件。

3 建立有限元模型

3.1 模型建立

墻體試件中使用的材料有生土砌塊、鋼筋和混凝土。其中在軟件中，墻體與混凝土選擇為三維實(shí)體，鋼筋形狀選擇為平面線。本文混凝土、墻體均使用C3D8R單元，鋼筋均采用T3D2 單元。經(jīng)試算，自嵌固生土墻體與混凝土單元的劃分尺寸為45mm，鋼筋單元的劃分尺寸為50mm。

砌體墻體建模的方法主要有分離式、整體式和組合式，本次有限元模型分析采用整體式模型。在建立模型中，要考慮自嵌固生土墻體的連接方式，包括砌塊的互鎖結(jié)合，構(gòu)造柱與加強(qiáng)梁的連接，混凝土內(nèi)部的連接。本次建立模型忽略構(gòu)造柱和加強(qiáng)梁內(nèi)部鋼筋的相對(duì)滑移，生土墻體和加強(qiáng)梁、構(gòu)造柱之間則采用綁定約束（tie）。采用綁定約束，能夠簡(jiǎn)化模型，在滿足實(shí)際工程要求的前提下，能夠快速地得到計(jì)算結(jié)果。

3.2 材料屬性

試驗(yàn)中用到的材料屬性如下：鋼筋HPB300 級(jí)，屈服強(qiáng)度284MPa，泊松比取為0.2，密度7.8t/m3；混凝土抗壓強(qiáng)度26.4MPa，彈性模量30GPa，泊松比參考規(guī)范取0.2，密度2.5t/m3；自嵌固生土磚砌體抗壓強(qiáng)度0.6MPa，彈性模量30MPa，泊松比取0.35，密度1.72t/m3。

本次建立的模型采用DP 破壞準(zhǔn)則，在分析中認(rèn)為由于拉伸開(kāi)裂和壓縮破壞導(dǎo)致材料失效?；炷敛牧喜捎没炷了苄該p傷模型，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C 中給出本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。鋼筋選用規(guī)范附錄中理想彈塑性雙直線模型。本次模擬自嵌固生土墻的本構(gòu)關(guān)系使用長(zhǎng)安大學(xué)張又超在抗壓試驗(yàn)研究中得到的本構(gòu)關(guān)系式[7]。

ABAQUS 在分析時(shí)需要輸入混凝土損傷塑性模型，本次模型參數(shù)參考上海交通大學(xué)馬奇[8]的設(shè)定。相關(guān)的塑性參數(shù)為：膨脹角為10°，流動(dòng)勢(shì)偏移值為0.1，雙軸及單軸極限抗壓強(qiáng)度比為1.16，不變量應(yīng)力比值為0.667，粘性參數(shù)為0.005。

3.3 加載方案

加載時(shí)設(shè)置兩個(gè)分析步，分別考慮墻體上部豎向荷載和水平荷載，在施加水平荷載的同時(shí)要保持上部荷載的穩(wěn)定，加載制度與試驗(yàn)相同。

3.4 有限元分析模型的驗(yàn)證

將模型分析計(jì)算得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得到試驗(yàn)骨架曲線對(duì)比如圖1 所示，剛度退化曲線對(duì)比如圖2 所示。

圖1 骨架曲線對(duì)比圖

圖2 剛度退化曲線對(duì)比圖

由模擬的骨架曲線與試驗(yàn)的骨架曲線對(duì)比可知，試驗(yàn)中的推方向的極限荷載為40.76kN，模擬分析得到的極限荷載為41.57kN，誤差在1.99%；拉方向的極限荷載為39.71kN，模擬分析得到的極限荷載為40.79kN，誤差在2.72%。模擬分析得到的承載能力比試驗(yàn)中的數(shù)值偏大，且基本沒(méi)有下降段。剛度退化曲線在后半段基本重合，且模擬分析得到的承載能力大于試驗(yàn)中的數(shù)值。造成誤差的原因主要有：利用ABAQUS 軟件建模時(shí)對(duì)材料進(jìn)行理想化的處理，整體式建模未充分考慮自嵌固生土磚的相互作用以及自嵌固生土墻的本構(gòu)關(guān)系尚需進(jìn)一步的細(xì)化研究。通過(guò)調(diào)整，本次模型的誤差在工程實(shí)際應(yīng)用的允許范圍內(nèi)，可以作為有效的模型進(jìn)行后續(xù)的分析研究。

4 高寬比對(duì)墻體抗震性能的影響

在實(shí)際生土房屋建造過(guò)程中，每層的建筑高度一般是不變的，由于生活方式、使用習(xí)慣不同，每個(gè)房間的開(kāi)間和進(jìn)深也都會(huì)發(fā)生變化。因此，對(duì)于自嵌固生土墻體的抗震性能的分析，墻體的寬度是影響墻體性能的重要因素之一。根據(jù)本次試驗(yàn)中民居房屋墻體的例子，建立了5 片墻體寬度不同的模型記性分析。模型的尺寸分別為：WHG-1 為2160mm×1530mm、WHG-2 為1920mm×1530mm、WHG-3 為1680mm×1530mm、WHG-4 為1440mm×1530mm、WHG-5 為1200mm×1530mm，墻體厚度均為120mm。

根據(jù)計(jì)算分析，可以得到各個(gè)墻體模型的骨架曲線如圖3 所示。

圖3 不同高寬比墻體的骨架曲線對(duì)比圖

對(duì)不同高寬比墻體模型的骨架曲線分析，當(dāng)墻體寬度為2160mm、1920mm、1680mm、1440mm、1200mm 時(shí)，模型墻體的極限承載力分別為38.37kN、35.18kN、34.38 kN、32.48kN、29.02kN，隨著墻體寬度的減小，模型的極限承載力也在不斷降低。與試驗(yàn)墻體相比，當(dāng)寬度為1200mm 時(shí)，極限承載力下降27.88%。

由此可知，當(dāng)墻體高度保持不變時(shí)，隨著墻體寬度的減小，墻體的極限承載力下降幅度比較明顯。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，墻體寬度的減小，就是承擔(dān)地震剪力的橫截面積減小。

自嵌固生土墻體的剛度，主要由墻體、混凝土梁和構(gòu)造柱三者剛度構(gòu)成。對(duì)不同寬度墻體的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行處理，能夠得到墻體模型剛度退化曲線如圖4所示，整個(gè)加載過(guò)程中模型的剛度均勻退化，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的突變。當(dāng)墻體寬度為2160mm、1920mm、1680mm、1440mm、1200mm時(shí)，模型墻體的初始剛度分別為8.17kN/mm、7.33kN/mm、7.13kN/mm、7.27kN/mm、6.65kN/mm。隨著墻體寬度的減小，模型的初始剛度也在不斷降低，當(dāng)墻體寬度為1200mm 時(shí)，初始剛度下降21.76%。剛度退化曲線在前半段沒(méi)有明顯的重疊部分，由此可知，當(dāng)墻體高度保持不變時(shí)，隨著墻體寬度的減小，對(duì)墻體在低周往復(fù)作用下剛度的影響比較明顯。

圖4 不同高寬比墻體剛度退化曲線

5 結(jié)語(yǔ)

1.通過(guò)建立自嵌固生土墻體模型，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)墻體骨架曲線、剛度變化等結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了有限元建模方法和計(jì)算的準(zhǔn)確性，能夠使用此模型對(duì)該類自嵌固生土墻體進(jìn)行后續(xù)分析。

2.當(dāng)墻體高度不變時(shí)，改變墻體的寬度，能夠明顯影響墻體的承載能力和剛度。與試驗(yàn)墻體相比，當(dāng)保持墻體高度不變，寬度減小至1200mm 時(shí)，墻體極限承載力和初始剛度分別下降了27.88%和21.76%。因此，當(dāng)墻體高度固定時(shí)，在一定合理范圍內(nèi)增大墻體寬度，能夠有效提高墻體的抗震能力。