设门洞的加气混凝土砌体芯柱组合墙抗震性能分析.pdf

2 0 1 3年第 1 0期 1 O月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 3 No 1 0 Oc t o b e r 设门洞的加气混凝土砌体芯柱组合墙 抗震性能分析 吴会 阁 ， 赵 彦 ， 曹秀玲 ， 谌会芹 ( 1 石家庄经济学院勘查技术与工程学院， 0 5 0 0 3 1 ； 2 防灾科技学院， 三河 0 6 5 2 0 1 ) 摘要 ： 运 用 A B AQUS有限元分析软件对设 门洞的加 气混凝土砌体芯柱组合墙进行 了数值模拟 ， 研 究其 抗震 性 能。在有限元模 型的计算结果与先前足 尺试件的试验结果进行 了对比验证 的基础上 ， 研 究了竖向正压力、 洞 口设 置 的大小及位置三因素对墙体抗震性能的影响 。研 究表 明： 随竖向压应力的增加 ， 墙体 的抗震性 能得到 改善 ： 但竖 向压应力对极限荷 栽的影响 小于对极 限荷载下位移的影响 ； 门洞宽度增大时 ， 墙体 的极 限承载 力降低 降低程度与 墙体截面积的削弱程度基本成 比例 ； 门洞位置的改 变， 对墙体抗震性能的影 响较 小。 关键 词 ： 加 气 混凝 土 ； 组合 墙 ； 抗 震性 能 ； 数 值模 拟 Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o s t u d y t h e s e i s mi c p e rfo r ma n c e o f a e r a t e d c o n c r e t e b l o c k ma s o n r y c o mp o s i t e w a l l wi t h a d o o r o p e n i n g n u m e ri c a l s i m u l a t i o n w a s c o n d u c t e d b y u s i n g fi n i t e e l e me n t s o f t w a r e A B A Q U S T h e fi n i t e e l e m e n t r e s u l t s w e r e v e ri fi e d w i t h t h e l a b o r a t o r y r e s u h s o f f u 1 1 一 S C a l e s p e c i me n s On t h i s b a s i s t h e c o mp o s i t e wa l l s w i 山 d i f f e r e n t p a r a me t e r s w e r e i n v e s t i g a t e d wh i c h i n c l u d e s t h e i r v e r t i c al c o mp r e s s i o n s t r e s s o p e n i n g s i z e s a n d o p e n i n g p o s i t i o n T h e r e s u l t s s h o w t h a t wi t h t h e i n c r e a s i n g o f v e r t i c a l c o mp r e s s i o n s t r e s s ， t h e s e i s mi c p e r f o rm a n c e i mp r o v e ； h o we v e r ， t h e e f f e c t o f t h e v e rti c a l c o mp r e s s i o n s t r e s s o n t h e u l t i ma t e l o a d i s l e s s t h a n t h a t o n t h e d i s p l a c e me n t u n d e r u l t i ma t e l o a d： W i t h t h e i n c r e a s i n g o f t h e d o o r wi d t h ， t h e d e c r e a s e i n t h e wa l l S b e a ri n g c a p a c i t y i s p r o p o r t i o n a l t o t h e d e c r e a s e i n t h e wa l l S n e t a r e a ；a n d t h e c h a n g e o f d o o r S p o s i t i o n h a s l e s s e f f e c t o n s e i s mi c p e rf o r ma n c e o f t h e c o mp o s i t e w a l 1 Ke y wo r d s ： Ac r a t e d c o n c r e t e ； C o mp o s i t e w all ； S e i s mi c b e h a v i o r ； Nu me r i c a l s i mu l a t i o n 中图分类号： T U 5 2 2 3 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 1 0 6 2 0 4 0前 言 由于加气混凝土砌块 自重小 、 造价低 、 低碳 、 节 能等优点 在建筑墙体 中得 到了广泛的应用 ， 但 目 前的应用主要集 中在填充墙体上 l 1 。为将加气混凝 土砌块实现保温和承重一体化 ， 安全可靠地应用于 我国建筑行业特别是抗震区的住宅 中， 国内外一些 学者曾进行了采用不 同构造措施 的加气混凝土砌 体承重墙 的缩尺模型抗震性能研究 ， 研究对象 主 要采用在墙体 中设构造柱的抗震加强措施 ， 这种措 施经济性较差 。为此 ， 笔者在墙体 中采用内钻孔 的 钢 筋混 凝 土芯 柱 的措 施 ， 并在 北 京工 业 大学 城市 与 工程安全减灾重点实验室进行 了足尺试件抗震性 能的试验研究 】 。在已有试验的基础上 ， 建立合理 的有 限元模型 ， 通过分析模拟 ， 已研究 了无洞和带 窗洞墙体的抗震性能 O l ， 本文对带门洞墙体的抗震 基金项 目： 河 北省 自然基金项 目( E 2 0 1 2 4 0 3 0 1 2 ) ； 河北省教育 厅 青年基 金项 目( Q 2 0 1 2 1 4 6 ) ； 校 内青 年科 学研究 基金项 目 ( XN 2 0 1 2 0 4) 一 6 2一 性 能进 行有 限元分 析 。 1有 限元模拟 1 1 试 验研究基 础 本文以已完成 的带 门洞 的加气混凝土砌体芯 柱组合墙足尺试件 WX 一 3的抗震试验为研究基础， 进行有限元模拟 试件由底座 、墙体和加载梁三部 分组成 。墙体尺寸参考试点工程 ， 取长度和高度分 别 为 4 2 3 0 mm和 2 6 9 0 mm，厚 度 2 0 0 mm；用尺 寸 为 6 0 0 mmx 2 4 0 m mx 2 0 0 n l m 的 A 2 5级 蒸 压 砂加 气 混 凝 土砌块和 M5 0级砌块专用砂浆砌筑 底座截 面高 4 0 0 mm， 宽 4 5 0 mm， 由 C 3 5早 强混 凝 土浇 筑成 型 纵 筋 8 q b 2 0 ，箍筋 4肢 8 2 5 0 。加 载梁截面为 3 0 0 m mx 3 0 0 m m， 由 C 2 0混凝土浇 筑成型 ， 纵筋 4 l 2 ， 箍筋 2肢 q b 6 2 0 0 在墙体左右两端和洞 口两侧均 设 置芯 柱 ， 芯柱 直径 1 2 0 mm， 用 C 2 0混凝 土 浇筑 ， 内 配 1 中1 2通长纵筋 门洞宽 9 0 0 mm， 高 1 9 6 0 m m。 试 件 在竖 向压应 力 0 2 3 6 MP a下 ，施 加 水 平低 周反复荷载 ， WX 一 3试件示意图见图 1 。 吴会 阁， 赵彦 ， 曹秀玲 ， 等设门洞的加气混凝土砌体芯柱组合墙抗震性能分析 l f l l I 垂 l l l I l I l l l l I I l J - J l l I I I l l I l I I l l I l l l I I I l 图 1 试 件示 意 图 1 2 有限元分析模型 为 了研究带 门洞 的加气混凝 土砌体 芯柱组合 墙抗震性能的影响 ， 本文运用有限元软件 A B A Q U S 建立非线性有 限元模 型， 对墙体 实施较精确 的数值 模拟。采用整体式模型对墙体进行建模和分析 ， 模 型 中的加载梁 、芯柱和砌体部分 ，采用软件 中的 C 3 D 8 R单元 ( 八结点三维线性减缩积分单元 ) ， 所有 钢筋采用 T 3 D 2单元 ( 二结点线性三维桁架单元 ) 进 行模拟 ； 加 载梁混凝土采用弹性模型 。 芯柱混凝土 和砌体采用 弹塑性损伤模 型 钢筋采用两折线随动 硬化模型加载方式为单 向加载 进行数值模拟时 。 材料 的主 要输 入数 据见 表 1和表 2 。 表 1 钢筋的物理性能指标 表 2 其他材料计算参数表 1 3 分 析模 型与 试验 验证 采用 A B A Q U S软件对 WX 一 3进行数值模拟 ， 以 位移控制进行单向加载 ，模拟得到的荷载一 位移曲 线及 其与试 验平均骨架曲线结果对 比如图 2所 示 。表 3为 WX 一 3试验和计算值的比较。 Z 枢 位 移 mm 图 2 墙体 荷载一 顶点位移 曲线 比较 由图 2和表 3可 以看 出 有 限 元模 拟 的得 出的 曲线和试验平均骨架 曲线吻合较好 ， 极限荷载和极 限位移的计算值与试验值相差不多 ， 且试验和计算 结 果 最终 状 态 的荷 载 也很 接 近 ， 误 差 较小 。可 以认 为： 所建模型是一个 比较精确 、 有效的计算模型 。 为 下述研究加 气混凝土砌体 芯柱组合墙 的抗震性能 提供了有效模式。 表 3 试验 与计算结果数值 比较 2 影 响墙体 性 能的若 干参 数分 析 加气混凝土砌体芯柱组合墙 的抗震性能受诸 多 因素影响。本文主要分析竖向压应力 、 洞 口尺寸 和开洞位置这三个因素的影响。 2 1 竖 向压 应力 竖 向压 应 力 是 影 响 砌 体 墙 抗 震 性 能 的重 要 因 素 之一 。试 验 中 WX一 3所 承 受 的竖 向压 应 力 0 2 3 6 M P a是参考北京大兴 、 怀柔试点工程( 2层住宅 ) 底 层墙体 的受力情况确定的f1 1 】 。 考虑到加气混凝土砌 块本身强度较低的特点 。 加之作为保温和承重材料 而言 ， 推广范 围限于农村低层住宅 ， 在分析 时仅考 虑 了 0 3 5 MP a 、 0 5 0 MP a两 种 竖 向 压应 力 ， 0 3 5 MP a 、 0 5 0 MP a分别 为 3层 、 4层住 宅 的底 层 墙体 压 应 力。 其水平荷载一 位移曲线 的分析结果 比较如 图 3 所示 。 表 4给 出 了不 同竖 向压 应 力 下墙 体 的计 算 结果及对 比。其 中 凡、 和 分别为墙体在 3种 竖向压应力下 的极 限荷载 、 最终荷载和极限荷载所 下 的位移 。 一 6 3 2 0 1 3年第 1 0期 混凝 土与水 泥制 品 总第 2 1 0期 位移 m m 图 3 不 同竖 向压 力 下 墙 体 荷 载 位 移关 系 曲线 由图 3和表 4得 出 ： ( 1 ) 当竖向压应力 的增大时 ， 墙 体的承载力得 到提 高 出现 极 限荷 载 时所对 应 的极 限位 移也 有所 增 加。 ( 2 ) 到达极限荷载后 ， 墙体 的荷载一 位移 曲线随 竖 向压应力的增大 ， 下降段变缓 ； 到达计算结束时 ， 0 2 3 6 MP a和 0 3 5 MP a 下 的墙体 已达破 坏状 态 。 ( 3 ) 三 种 应力 水 平 下 ， 极 限 荷 载 的 提 高 程 度 分 别为 ： 1 0 7 、 1 1 2 ，极 限荷 载下 对应 位 移 的提 高 程度 为 1 2 4 、 1 4 5 ， 表 明竖 向正压力 对极 限荷 载 的影 响程 度小于对极限荷载下对应位移的影响。 2 2 洞 口宽度 在实际工程 中 ， 墙体的洞 口有大有小 ， 为研究 洞 口宽度对墙体抗震性能的影响 本节在开门洞的 WX 一 3墙体的基础上 ， 改变洞口的水平尺寸。 门洞 宽度在 原有 9 0 0 mm的基 础上 ， 另设计 了两 种情 况 ， 分 别 为 1 2 0 0 m m、 1 5 0 0 ram， 门洞 右 边缘 到 最 近墙 边 的距 离不 变 。 其他 构造和加 载方 式均 与 WX 一 3相 同 。不 同门洞宽 度下 墙体 的荷 载位 移 曲线 如 图 4所示 位移 mm 图 4 不 同门洞宽度下墙体 的荷载一 位移关系曲线 表 5 不 同门洞宽度下墙体的荷载和位移计算值及对 比 表 5列 出 了各墙 体在 不 同阶段 的荷 载 、 位移 计 算值及比较。 表中： 、 、 含义同上表， 其中 i 表 示试件编号 WX 一 3墙体编号为 1 。f 表示扣除门洞 后墙 体 的净宽度 。 由图 4和表 5得 出 ， ( 1 ) 各墙体随 门洞宽度的增加 ， 极 限承载力和 到达极限承载力时的相应位移都有所降低。 ( 2 ) 在这三种墙体中， 随门洞宽度 的增加 ， 墙体 截面积 的削弱程度 与极 限承载力的降低 程度基本 6 4 成 比例 。 ( 3 ) 随门洞宽度 的改变 ， 墙体达到极限承载力 时的相应位移也有所改变 ， 但其改变程度 比承载力 的改 变小一 些 。 2 - 3 洞 口位 置 为研究门洞位置对墙体抗震性能的影响 ， 本节 在 9 0 0 mm宽偏 门洞墙 体 的基础 上 ， 改 变 门洞 的设 置 位置。在墙体 的中部开设宽度为 9 0 0 mm， 1 2 0 0 mm， 1 5 0 0 mm 的 门 洞 其 他 构造 和 加 载方 式 均 与 WX一 3 z 挺 吴会 阁， 赵彦 ， 曹秀玲 ， 等设门洞的加气混凝土砌体芯柱组合墙抗震性能分析 0 5 1 O 1 5 2 O 2 5 位移 mm 图 5不同 门洞位置下各墙体 的荷载一 位移关系曲线 相 l司。 不 同门洞位置下各墙体 的荷 载位 移 曲线 比较 如 图 5所示。表 6列 出了各墙 体在不同阶段的荷 载、 位移计算值及 比较 。 由图 5和表 6得 出 ： ( 1 ) 各墙体 随门洞位 置的改变 ， 极限承载力 和 到达极限承载力时的相应位移也有所改变。 ( 2 ) 相同门洞宽度下 ， 中门墙体 比偏 门墙体 的 极限承载力和到达极 限承载力时 的相应位移都稍 小一些 ： 但 门洞位置 的改变对极限承 载力 的影响程 度小于对相应位移 的影响。 ( 3 ) 中门墙 体与偏 门墙体 的荷载一 位移 曲线相 比， 随门洞宽度的增加 ， 下降段更加接近。 3结论 ( 1 ) 当竖向压应力的增大时 ， 门洞墙体 的承 载 力得到提高 。 出现极 限荷载时所对应 的极 限位移也 有 所增 加 ： 竖 向压应 力 对 门 洞墙 体极 限荷 载 的影 响 程度小于对极限荷载下对应位移的影响。 ( 2 ) 当门洞宽度增大时 ， 极限承载力 的降低 程 度 比到达极 限承载力 时的相应位移 的降低程度 大 一 些 ， 且极限承载力的降低程度与墙体截面积的削 弱程度 基本 成 比例 。 ( 3 ) 相 同门洞宽度下 ， 中洞墙体与偏 洞墙 体的 极限荷载 、 最终荷载都比较接近。 参考文献 ： 【 1 高连 玉 加 气混凝 土砌块承 重多层房 屋的关键 技术【 J 】 砖 瓦世界。2 0 0 7 ( 1 ) ： 4 3 4 6 【 2 】 于敬 海， 苏志德， 田淑 明， 等 蒸压砂 加气混凝 土承 重墙抗 震性能研究 J 低温建筑技术， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 3 8 4 0 3 】 赵成文， 张亮， 高连玉， 等 A类 蒸压加气混凝土砌块墙体抗 震性能试验【 J 】 沈 阳建筑大学学报， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 4 2 6 4 3 2 f 4 1 谢 峰 ， 于敬海 ， 陈晓祥 承 重开洞墙 体抗震性 能的有 限元 分析 J 低温建筑技术， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 7 2 7 4 【 5 】 赵 全斌 改善蒸 压加气混 凝土承重 墙体抗震 性能试验研 究【 D 】 天津 ： 天津大学 ， 2 0 0 6 【 6 】 凌沛春 蒸压加气混凝土砌块组合墙体的抗震性 能试验研 究 D 】 北京 ： 北京工业大学 2 0 1 1 7 】 吴会 阁 设芯柱 的蒸压加气混凝土砌块砌体承重墙抗震性 能 的研究【 D 】 北京 ： 北京工业大学 ， 2 0 1 1 【 8 】 吴会 阁， 赵均， 凌沛春， 等 设芯柱 的蒸压加气混凝 土砌 体承 重墙抗震性能试验研究 J 北京工业大学学报， 2 0 1 3( 1 ) ： 5 1 5 6 【 9 】 F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s o f v e r t i c a l s t r e s s s e ff e c t o n s e i s m i c p e r f o r ma n c e o f a u t o cl a v e d a e r a t e d c o n c r e t e b l o c k ma s o n r y wa l l s J A d v a n c e s i n c i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e I n n o v a t i o n ， 2 0 1 1 ( 2 ) ： 1 0 1 0 1 0 1 3 【 1 0 】 吴会 阁， 赵均 带窗洞 的加气混凝 土砌 块砌 体墙抗震性能 分析 J 世界地震工程， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 3 3 3 8 【 1 1 】 夏祖宏， 顾 同曾， 周炳章， 等 采 用加气混凝土制 品建造新 农村住宅 的研究【 J 】 墙材革新 与建 筑节 能， 2 0 1 0 ( 7 ) ：2 3 2 5 【 l 2 石亦平 ， 周玉蓉 A B A Q U S有限元分析 实例 详解 M】 北 京： 机 械工业 出版社 2 0 0 6 t 1 3 王玉镯 ， 傅 传国 A B A Q U S结构工程分析及实例详解【 M 北 京： 中国建筑工业 出版社 。 2 0 1 0 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 8 2 7 作者简介 ： 吴会 阁( 1 9 7 8 一 )女 ， 副教授。 联 系 电话 ： 1 5 1 0 01 1 2 5 1 5 E- ma i l ： 4 9 4 5 1 2 2 9 0q q c o m 一 6 5一 舳 加 加 m O 乏 蝗