砌体-混凝土筒体结构破坏过程仿真分析.pdf

第 3 9卷第 5期 2 0 1 3年 1 0月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 97 砌体一 混凝土筒体结构破坏过程仿真分析 刘小斌 ， 陈国平， 李 可 西南科技大学土木工程与建筑学院， 四川 绵阳6 2 1 0 1 0 摘要 自汶川地震后许多学者提出了不少新型的结构形式， 砌体结构与混凝土墙组合结构就是其中的一种。在 前人的分析与研究基础上， 提出一种相对合理的砌体墙与混凝土墙布置方式 ， 将普通砖砌体房屋中间部分砖墙改 为混凝土剪力墙形成封闭的简体 ， 混凝土筒体贯通至房屋顶层， 采用大型有限元软件 L S - D Y N A对这类结构进行了 研究， 模拟了在地震荷载下组合结构的响应过程 ， 以及组合结构的破坏及倒塌形式。仿真分析结果与前人的实验 结果吻合 ， 可以初步得到该形式的组合结构受力特点及破坏机理， 进一步验证了同一结构中两种不同材料墙体的 协同工作性能、 抗震性能和大变形下的破坏特征。 关键词 砌体结构 ； 组合结构； 混凝土简体； L S - D Y N A； 仿真分析 中图分 类号 T U 3 9 8 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 3 O 51 9 7 0 5 M a s o nr y - c o n c r e t e c y l i n d e r s t r u c t u r e f a i l u r e p r o c e s s s i mu l a t i o n a n a l y s i s U U Xi a o b i n， CHEN Gu o p i n g， L I Ke S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e ri n g ， S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f Sci e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Mi a n y a n g 6 2 1 0 1 0， C h i n a Ab s t r a c t A f t e r t h e e a r t h q u a k e o f We n c h u an ， ma n y s c h o l a r s p u t f o r w a r d a l o t o f n e w t y p e o f s t r u c t u r e ， ma s o n r y s t ruc t u r e a n d r e i n f o r c e d c o n c ret e wa l l s t ruc t u re i s o n e o f t h e m．I n p r e v i o u s a n a l y s i s a n d r e s e a r c h b a s i s ， a rel a t i v e l y r e a s o n a b l e k i n d o f ma s o n ry wa l l a n d rei n f o rce d c o n c r e t e wa l l a r r a n g e me n t i s i n t r o d u c e d i n t h e t h e s i s ， t h e o r d i n a ry b ri c k ma s o n r y b u i l d i n g a mo n g p a r t o f rei n f o rce d c o n c r e t e s h e a r w a i l b ri c k w a l l t o f o r m a c l o s e d t h e c y l i n d e r b ody ， r e i n f o r c e d c o n c r e t e c y l i n d e r b r e a k t h r o u g h t h e t o p fl oor ， L S DYN A， s o f t w a 2 “C o f fi n i t e e l e me n t ， i s u s e d t o s t u d y t h e s t ruc t u r e， s i mu l a t i o n s o f t h e r e s p o n s e p r o c e d u r e s o f c o mp o s i t e s t ruc t u r e u n d e r e a r t h q u a k e l o a d a r e ma d e ， a s w e l l a s t h e d e s t ruc t i o n o f t h e s t ruc t u re a n d for m of c o l l a p s e d ． T h e s i mu l a t i o n res u l t a s t h e s a me p r e vio u s e x p e ri me n t ， c a n g e t t h i s for m of c o mb i n a t i o n p r e l i mi n a r y s t ruc t u r a l c h a r a c t e ris t i c s and f a i l u r e me c h a n i s m， f u rt h e r v e ri fi e d t h e s t ruc t u r e o f t w o d i ff e r e n t ma t e ri als wa l l c oo p e r a t i v e w o r k p e rf o r man c e， t h e s e i s mi c p e r f o rm an c e a n d l a r g e d e f o rm a t i o n c h a r a c t e ri s t i c s of f a i l u r e ． K e y wo r d s ma s o n r y s t r u c t u re ； c o mp o s i t e s t ruc t u r e ； c o n c r e t e c y l i n d e r ； L S - D YNA； s i mu l a ti o n a n aly s i s 0 前言 地震是地球上一种大型的 自然灾害， 一旦发生 ， 就会产生很严重的后果， 不论是生命上的还是经济 上的， 结 构 的抗震 设 防就显得 格外重 要。1 9 9 0年 后， 美 国开始关注如何提高民用建筑抗连续倒塌 的 能力 ， 为避免 由于恐怖袭击、 意外事故等事件造成建 筑出现局部破坏 ， 开展 了相应的科学研究 ， 提出了相 应 的设 计方法 ， 颁 布了相关设计 指南 。 。潘元 J 做过钢筋混凝土框筒结构地震反应的仿真分析。结 构地震破坏 仿真分析是根 据结构或构件 的少量 试 验， 基于严密理论分析得到的数学模型从而建立仿 真模型， 揭示结构反应的机理和描述结构的变形、 开 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 3 - 2 6 作者简介 刘小斌 1 9 8 4 一 ， 男， 硕士研究生， 主要从事结构抗震研 究工作 。 基金项目 四川省科技支撑计划项目 2 0 1 1 G Z 0 2 5 0 Ema i l 9 3 2 5 7 8 3 01 q q ． t o m 裂和破坏的过程。通过仿真技术 ， 便于把握结构在 地震作用下的动力响应过程 ， 发现其规律， 为实践应 用提出理论指导， 以及为抗震加固提供参考文献。 高小旺等人 进行了8 层砖墙与钢筋混凝土墙 组合结构的 1 ／ 2比例模 型试验及分析研究 ， 并在此 基础上评价了这种结构的抗震性能， 在新疆 、 昆明等 地区建了一系列的试点工程 。模型试验和分析结果 表明， 设置一定数量钢筋混凝土墙的组合结构具有 较好的抗震性能。这类结构的抗震性能取决于钢筋 混凝土墙的布置、 数量 和砌体墙 的构造措施 等。评 价这类房屋的抗震能力应依据其受力、 变形特点和 组成结构的两类构件的承载能力等方面来进行。 王万钊等人 进行了砖墙与混凝土剪力墙混 合结构 8 层住宅 1 4 模型的抗震试验， 通过对该混 合结构缩尺模型的静力、 拟动力试验研究， 检验了同 一 结构中两种不同材料墙体的协同工作性能、 抗震 性能和大变形下的破坏特征。试验研究 表明， 在砖 墙与混凝土剪力墙组合结构中， 两种墙体如配置得 1 9 8 四川建筑科学研究 第 3 9卷 当， 可以具有较好 的协 同工作性能和抗震性能。并 在兰州地 区做 了一大批 的试点工程。 根据高小旺、 王万钊等人的实验研究， 本文提出 一 种相对合理 的砌体墙 与钢筋混凝土墙 布置方式 ， 采用大型有限元软件 L SD Y N A对该结构进行 破 坏过程仿真分析。研究结构倒塌的原因、 倒塌的过 程 、 倒塌的结果三个方面， 分析结构倒塌过程 中结构 的几何特性和力学特性的变化 。 1 模型的建立 1 ． 1 参数化模型 计算实例 某 7 层砌体墙与钢筋混凝土墙组合 结构房屋， 各层层高均为 3 m， 抗震设防类别为乙 类 ， 场地类别为 Ⅱ类 ， 设 防烈度为 8度， 地震基本加 速度为0 ． 1 5 g 。构件尺寸 砌体墙与钢筋混凝土墙 厚均为 2 5 0 mm， 构造柱为2 5 0 m m 2 5 0 r n m， 圈梁为 2 5 0 mm 2 5 0 m m， 楼板厚为 1 0 0 m m。其中砌体墙 采用 MU1 0砖 M 5混合砂浆砌筑 ， 剪力墙、 构造柱 、 圈梁 、 楼板均采用 C 3 0混凝土 ， 构造 柱采用受力筋 4 d 1 4箍筋 6 2 0 0 ， 圈梁采用受力筋 4 b 1 2箍筋 2 0 0 ， 楼板采用 8 2 0 0 ， 剪力墙竖向及水平钢筋 均采用 2 1 0 2 0 0拉接筋 6 6 0 0 X 6 0 0 。模型布 置如图 1所示 。 L { 0 。』 lc -J 从 餐厅 害_ ． I 客厅 M- 2M- 2 电怫井 lM ． 2 M - 2 主 卧 ’ 『 呻扶 卧 fI 主 卧 ll 田 田 i _田 田 zr 2-_ I l I E ； I 田 田i 皿田 I I E j 三 ● 田 田i 皿 田 I I 臣 三 I 田 田 i I田 田 I I l 田田 皿田 ； I I r 一 j； I 田田 ； 田田 l l 田田 田田 j； l I ]一 图 1模型布置 F i g ． 1 M o de l l a y o u t 1 ． 2材料模型与本构关系 砌体是 由砌块 和砂浆组成 的二相复合材料 ， 钢 筋混凝土是由混凝土和钢筋组成的二相复合材料 ， 对其进行有限元分析常有两类模型 分离模 型和整 体连续体模型。分离模型即是将砌块和砂浆分别建 模， 可采用两种处理方式 一种是不考虑砖与砂浆之 间的粘结滑移， 将砌块与砂浆接触面的所有节点自 由度耦合在一起 ； 另一种是考虑砖与砂浆之间的粘 结滑移， 将砌块与砂浆通过接触单元或非线性弹簧 单元联系在一起。整体连续体模型即是将砌块和砂 浆、 混凝土与钢筋等效合并成一种材料建模， 由于砖 与砂浆之间的粘结滑移关 系曲线研究尚不成熟 ， 接 触面的水平粘附强度难 以得到， 混凝 土中钢筋位置 较难定。本文采取第二种方式建模， 砌体和钢筋混 凝土材料均按双线性各 向同性 材料模 型建模 ， 均采 用 S O L I D 1 6 4单元 。 本文采用施楚贤 建立 的砖砌体应力 应变方 程 上 升 段三 1 9 6 言 一 o 9 6 ‘ o 8 ≤ G o ．， m 占 0 、 n ， 1 下 降 段 厂 珈cr l 2 0 2 占 。 占 ≤ l 6 2 式中 厂 皿 为砖砌体单轴受压应力峰值， 按规范规定 0 ． 7 10 ． o ， 其 中 为砖砌体抗压强 度； 为砌筑砂浆抗压强度； 。 为峰值应力对应的 应变 ， 根据实验取值 0 ． 0 0 2 。 本文采用刘桂秋 、 施楚贤 建立 的剪一 压砌体 破坏准则 ， 该破坏准则不仅能反映剪 压砌体可能出 现的各种破坏形式 ， 而且不 同破坏形 式之间有 明确 的界限。 当 ≤0 ． 3 2时 为墙体 内的竖 向压应 力 为砌体抗压强度平均值 ， 砌体呈剪切滑移破 坏 ， 砌体抗剪强度平均值 ． 可由下式确定 ， 。 0 ． 5 3 当 0 ． 3 2 ≤ ≤0 ． 6 7时， 砌体 的破坏 由主拉 应力大小所控制 一 2 √ 警 ‘ 町 2 。 4 式中， 系数 理可取 0 ． 6 5 5 。 抗剪强度平均值 的表达式 ， ， ／ 1 ． 5 3 1 3 ． 5 ， 5 当0 ． 6 7 ≤ ≤1 ． 0时 ， 砌体 的破坏 由主压应 力大小所控制 一 孚 一 √ ≥ ‘ ≥ 一 6 式 中， 系数 可取 2 ． 5 。 抗剪强度平均值的表达式 。 f m f 0 ．4 1 一 。厂r , 7 、 ， ， 本文采用过镇海 建立 的 昆凝土应 力一 应变本 构方程 上 升 段 2 一 ‘ ≤ G o 8 下 o 0 ⋯。 一 ‘ 旦 9