填充墙震害数值模拟与对策讨论

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1、填充墙震害数值模拟与对策讨论张炎圣，马千里，陆新征，叶列平（清华大学土木工程系，北京，100084）汶川地震建筑震害调查与灾后重建分析报告,北京中国建筑工业出版社,2008.6,北京,293-300.下载全文/DownloadPDFversion推荐相关阅读：《建筑抗震弹塑性分析》,中国建筑工业出版社,2009摘要：在5•12汶川地震中，大量框架结构和框架-剪力墙结构虽未出现主体结构破坏，但是填充墙大量开裂，造成严重财产损失，有些填充墙甚至倒塌，造成人员伤亡。因此为实现性能化抗震设计，有必要开展填充墙的震害分析。本文基于灾区建筑震害调查和非线性有

2、限元，对填充墙震害进行了数值模拟与对策讨论。关键词：填充墙，震害，性能化设计，数值模拟，对策1   概述在5•12汶川地震中，大量框架和剪力墙结构虽未出现主体结构破坏，但是填充墙破坏严重。填充墙的砌块和砂浆抗拉强度都不高，其界面的粘结强度也较低，加之施工质量难以保证，使得砌体墙在地震作用下很容易开裂，严重时还会出现错位甚至倒塌[1]。灾区现场观察到的填充墙震害包括以下几种：1）斜向或交叉斜向剪切裂缝（图1）；2）水平或竖向墙体-框架界面裂缝（图2）；3）填充墙局部砌块脱落（图3）；4）填充墙倒塌（图4、图5）。图1 墙体交叉斜向裂缝图2 墙体-框

3、架界面裂缝图3 墙体局部砌块脱落图5 墙体倒塌图4 填充墙倾倒填充墙开裂虽然不影响结构安全性，但会引起居民的的心理恐慌。此外，大量的修复工作还会造成严重的财产损失。而填充墙倒塌的后果则更加严重，会增加人员伤亡数量。减轻填充墙震害，可以通过以下两个途径：1）改进填充墙的构造措施[2]。填充墙的变形能力，包括抗裂能力和抗倒塌能力，很大程度上受构造措施影响。合理的构造措施，如设拉结钢筋、构造柱、水平系梁等，能够有效增强填充墙变形能力，避免填充墙的严重破坏。2）强化基于性能的抗震设计[3]。根据填充墙变形能力和经济承受能力，合理确定建筑抗震性能设计目标，

4、特别是变形设计目标，从而控制填充墙等非结构构件在不同预定地震水准下的破坏程度。以上两个途径，都要基于对填充墙破坏机理和变形能力的研究。由于涉及砌块、砂浆两种材料及其界面的复杂力学行为，以及施工的高离散性，砌体的力学行为十分复杂。数值模拟为砌体力学行为分析提供了有力工具，离散元[4]、有限元[5]等数值方法都被用于砌体力学行为分析。本文采用有限元法对填充墙震害进行数值模拟与分析，为改进填充墙构造措施和基于性能抗震设计提供依据。2   有限元模型本文主要借助有限元方法研究为采用抗震措施的填充墙和采用各种不同抗震措施填充墙的受力机理及其变形能力，为填充

5、墙抗震性能的研究和设计计算提供依据。分析模型为一单榀单层框架及其填充墙，柱距5m，层高3.6m。柱截面为450mm×450mm，梁截面为500mm×250mm。填充墙的破坏模式主要有两种，一是面内开裂，二是面外倒塌，本文分别针对这两种破坏模式进行建模分析。对于面内开裂问题，分析灾区常见的120厚实心砖隔墙，砌块尺寸为240mm×115mm×50mm，砂浆厚度为10mm。基于MSC.MARC软件，采用平面应力单元建模分析（图6）。墙体单元尺寸均为10mm×10mm，单元数量达到12.5万，精细的网格划分保证了开裂分析的精度。框架材料采用线弹性本构，

6、砖和砂浆采用基于最大拉应力准则的弥散裂缝本构，抗拉强度根据文献[6][7]取值，列于表1中。对于面外倒塌问题，分析240厚实心混凝土砌块墙，砌块尺寸为880mm×240mm×380mm[8]，灾区有类似的大砌块填充墙（图1）。基于LS-DYNA软件，采用实体单元建模分析（图7）。框架和砌块材料采用线弹性本构，不对砂浆建模，而是通过固连失效接触模型（Tied-breakcontact）考虑砂浆的影响[9]。固连失效接触模型基于砂浆的抗拉强度和抗剪强度建立固连失效准则，初始时刻砌块和砌块之间，以及砌块和框架之间互相固连，当接触拉应力和剪应力达到一定值

7、时，固连作用就会失效，从而接触体间可以分离或者滑移。砂浆抗拉强度和抗剪强度按混凝土砌块加M7.5级砂浆，取规范规定[10]值，列于表1中。图6 MSC.MARC有限元模型图7 LS-DYNA有限元模型表1 有限元模型参数MSC.MARC模型参数LS-DYNA模型参数砖抗拉强度/MPa0.58砂浆抗拉强度/MPa0.08砂浆抗拉强度/MPa0.36砂浆抗剪强度/MPa0.083   模拟结果及其分析3.1 两种破坏模式仿真图9显示面内反复加载的裂缝分布情况。由于显示结果为单元历史最大开裂应变云图，除了当前荷载产生的裂缝，历史上相反方向荷载产生的裂缝

8、也能予以显示，于是形成两条交叉斜向裂缝，与图1震害现象吻合良好。图10显示双向反复加载的填充墙倒塌情况，也与图5震害现象吻合。可见，本文