混凝土砌块砌体墙受剪性能的有限元模拟

摘要：对混凝土砌块砌体进行了数值模拟，对于影响模拟结果准确性的一些因素包括剪力传递系数的取值、打开关闭压碎、迭代算法进行探讨.应用ANSYS有限元分析软件模拟足尺混凝土砌块墙在水平和竖向荷载共同作用下的受力性能，结果表明足尺墙体的抗剪强度低于砌体抗剪强度指标.得出的结论可供砌体结构设计和研究参考.

关键词：混凝土砌块砌体；剪切；承载力；有限元分析

中图分类号：TU391文献标识码：A

随着现代砌体结构应用于高层及有抗震要求的地区，对砌体结构基本理论的研究显得愈加重要、更加有意义.有限元已经成为结构分析的重要工具与途径.相对于混凝土、钢结构等其他结构形式，砌体结构的数值模拟结果的准确性有待于进一步提高.本文在总结和探讨ANSYS在混凝土砌块砌体中运用方法的基础上，结合现有试验结果，探索采用ANSYS软件模拟的受剪性能.

1砌块砌体有限元分析方法

有限元是砌体结构研究的重要工具，近年来砌体结构的有限元分析得到了越来越多的重视.ANSYS软件强大的功能已经在结构分析中得到了广泛的应用，不少研究者运用ANSYS对砌体结构进行分析得到了许多有益的结论.王达诠、唐岱新、全成华、孙伟明、李英明、徐铨彪、PAGE A W等都对砌体有限元分析方法进行了研究＼[1-6＼].王达诠等将以连续介质力学为基础的均质化理论运用于砌块砌体结构数值分析中形成可以等效砌体组成材料的砌体代表性体积单元＼[1＼]；唐岱新、全成华等采用ANSYS软件对 7片纵横配筋大剪跨比的砌块砌体剪力墙进行数值模拟，得出承载力计算值与试验值相吻合的结论（差值在10%以内）＼[2＼]；孙伟明等采用整体式模型对预应力混凝土砌块砌体抗裂性能进行了有限元分析]；李英明等对ANSYS在砌体结构非线性分析中的应用进行了研究，主要对ANSYS砌体非线性分析的迭代方法的选用等一些参数设置进行了比较＼[4＼].

现有的对于砌体进行有限元分析的研究还只是基于某一方面而不具有普遍性一方面这是由于砌体的有限元分析研究时间较短，很多有限元软件的开发并未针对砌体；另一方面也是由于砌体结构的特殊性，如材料离散性大等增大了分析的难度.在用ANSYS对混凝土砌块砌体进行非线性分析中，对于剪力传递系数取值、打开与关闭压碎、迭代算法等参数的选取尚有待研究.本文结合实例对这些问题进行探讨.

浙江大学进行了足尺墙体的试验，其试验墙体尺寸长高宽分别为3 800 mm×2 800 mm×190 mm.在墙体底部采用了截面为400 mm×400 mm的底梁与试验墙体连接.采用的砌块主块尺寸为390 mm×190 mm×190 mm，副块尺寸为190 mm×190 mm×190 mm，砌块采用MU10，砌筑砂浆采用M10混合砂浆.本文选用两片具有代表性墙体进行数值模拟.本文选用试验墙体编号、类型如表1所示＼[5-7＼].

构造柱尺寸为190 mm×190 mm，构造柱纵向钢筋为412，箍筋为8@250，圈梁纵向钢筋为414，箍筋为8@250.构造柱和圈梁混凝土的设计强度等级为C20.在进行有限元分析时，采用整体式模型，将砌体墙视为匀质弹塑性材料，单元尺寸为100 mm，采用力的收敛准则，SOLID65单元的KEYOPT选项中

不考虑形函数的附加项，考虑拉应力释放、激活分析选项中的自适应下降、线性搜索、自动载荷步（自动时间步长）和预测等功能来加强收敛.本文砌块墙考虑3种材料：混凝土、钢筋、砌块墙.对构造柱、圈梁、砌块墙体都采用SOLID65单元.混凝土材料的本构关系采用多线性等向强化模型MISO，钢筋采用双线性等向强化模型BISO.对于砌体本构关系，本文选用刘桂秋提出的本构关系＼[8＼].

文献＼[9＼]指出剪切破坏时，由于应力分布的不均匀所导致的截面不能被充分利用，使足尺墙体的抗剪强度低于《砌体结构设计规范》（GB5003-2001）材性试验得到的抗剪强度计算指标，并进一步根据我国过去进行的墙体抗剪试验中的数据得到不施加法向荷载情况下实测足尺的墙体抗剪强度约为材性试验取值的0.32～0.68.本文进一步得出在轴压比为0时，墙体抗剪承载力约为规范材性试验取值的0.33～0.65.轴压比为0.2时，墙体抗剪承载力约为规范材性试验取值的0.45～0.93（Wall24除外）.轴压比为0.4时，墙体抗剪承载力约为规范材性试验取值的0.48～0.97.轴压比为0.6时，墙体抗剪承载力约为规范材性试验取值的0.51～1.04.轴压比为0.8时，墙体抗剪承载力约为规范材性试验取值的0.19～0.68.所以在进行承载力计算时应考虑应力分布不均布的影响.

3结论

本文利用ANSYS软件模拟混凝土砌块砌体结构，结合试验实例对剪力传递系数的取值、打开关闭压碎、迭代算法等进行了对比，然后对30组不同参数的墙体模型进行了计算，将有限元计算结果和规范抗剪强度直接乘以截面面积得到的承载力公式所计算的结果进行比较，得到以下结论：

1） 墙体裂缝开展与试验结果吻合较好，利用非线性有限元可以较好地模拟，能较好满足理论分析及工程实际要求.

2） 有限元分析中的剪力传递系数在0.1～0.5内取值时差别较小，具体取值应进一步分析.

3） 有限元分析中打开压碎项，所得结果较为准确，关闭压碎项结果偏差较大.

4） 有限元分析中的迭代算法选用弧长法较NR法墙体抗剪承载力计算结果稍低.

5） 由于应力分布的不均匀所导致的截面不能被充分利用，使足尺墙体的抗剪强度低于砌体抗剪强度指标.在进行承载力计算时应考虑截面应力分布不均匀的影响.

参考文献

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