多层砌体结构的地震反应分析

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随着有限元理论的推广和ANSYS、ABAQUS等有 限 元 分 析 软 件 的 开 发 应 用 ，利 用 有 限 元 分 析 软 件 对
第 43 卷 增刊
梁城宇等·多层砌体结构的地震反应分析
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多层砌体结构进行数值模拟成为了一种主要的手 段。但是，由于组成砌体的砖与砂浆之间存在明显 的 二 相 性 ，模 拟 砌 体 结 构 在 地 震 作 用 下 的 动 力 分 析 较为困难。本文通过采用砌体等效体积单元建立能 反映砌体结构在地震作用下的开裂压碎情况的有限 元模型，进行 瞬态地震分 析，得出砌体 结构在 地 震 作用下的破坏过程。
引言
2008年5月12日14时28分，在四川省汶川县映秀 镇 附 近 发 生 8.0 级 地 震 ， 震 中 位 于 北 纬 31 °， 东 经 103.4°。此次地震是新中国成立以来破坏力最强、波 及 范 围 最 广 的 地 震 ，给 震 中 和 地 震 波 及 区 带 来 了 极 大的损失。根据文献［1］，如表1所示，汶川地震震害 统 计 中 倒 塌 较 多 的 是 多 层 砌 体 结 构 ，因 此 结 合 震 害 数 据 对 多 层 砌 体 结 构 进 行 动 力 分 析 ，了 解 多 层 砌 体 结 构 在 地 震 作 用 下 的 破 坏 过 程 ，对 今 后 的 抗 震 设 计
3 多层砌体结构动力分析结果
本文取大连理工大学校内某栋6层砌体结构办 公楼作为进行动力分析的多层砌体结构。相关参数 根 据 现 场 材 料 测 试 结 果 取 值 ， 楼 板 和 构 造 柱 为 C10 混 凝土，墙体为 砖砌体，参 数与砌体等 效体积单 元 参数一致［4］，如表2所示。
多层砌体结构构造柱、墙体、楼板布置和约束方 式 如 图 1 所 示 ，结 构 各 层 的 单 元 划 分 和 门 、窗 开 洞 如 图2所示。
考虑到模拟多层砌体结构在地震作用下的动力 分析的计算 量庞大，模 型复杂，因此 本文采用 砌 体 等效体积单元建立能反映多层砌体结构在地震作用 下 的 开 裂 压 碎 情 况 的 有 限 元 模 型 ，进 行 瞬 态 地 震 分 析。等效体积单元（RVE）的概念与相关理论是澳大 利 亚 学 者 L. Gambarotta［2］于 1996 年 首 先 提 出 的 ，此 后 国内外学者对砌体代表性等效体积单元进行一系 列的研究，文献［3］用有限差分法模拟砌体RVE均质 化的过程，文献［4-5］通过实验和ANSYS有限元分析 证 明 了 砌 体 RVE 单 元 与 砌 体 的 大 部 分 力 学 性 质 吻 合，将它应用于整体结构进行有限元分析是可行 的。
下面总结汶川地震中多层砌体结构的破坏特 征：
（1）墙体开裂破坏。在地震作用下，多层砌体结 构 底 层 所 受 剪 力 最 大 ，与 地 震 波 走 向 一 致 的 墙 体 会 因为墙体的主拉应力强度达到限值而产生斜向裂缝 或 交 叉 裂 缝 ，与 地 震 波 走 向 垂 直 的 墙 体 会 因 为 受 弯 产生竖向裂缝。达到极限抗压强度的墙体会出现滑 移、错位、边缘 的楔块脱落 使墙体继续 承受上 部 荷 载和水平地震作用，出现局部或整体倒塌。
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土木工程学报
RVE砌体
表 2 砌体代表性等效体积单元材料参数
Table 2 Material parameters of RVE
弹性模量EX 弹性模量EY 弹性模量EZ 泊松比
泊松比
泊松比
（Pa）
（Pa）
（Pa）
NUXY
NUYZ
NUXZ
8.58E+09 8.77E+09 9.22E+09
（2）墙角局部破坏。墙角由于约束作用不足，在 地 震 作 用 下 容 易 产 生 局 部 压 碎 ，使 多 层 砌 体 结 构 倾 斜，产生偏 心弯矩，加 大一侧的底 部墙体的承 载 负 担。
（3）梯间破坏。楼梯间除了墙体开裂剥落，还会 由于空间高 度大，缺乏足 够支撑，造成 整体刚 度 不 足而产生破 坏，而梯间 作为主要的 交通通道，梯 间 的阻塞会严重影响逃生。
（4）纵 横 墙 连 接 破 坏 。 纵 横 墙 连 接 部 位 受 到 两 个方向 的地震作用 ，产生应力 集中，且楼板 只 与 纵 墙 搭 接 ，一 般 不 嵌 入 横 墙 。 当 纵 横 墙 之 间 施 工 时 咬 槎 砌筑不良，或 者缺乏拉结 ，会产生纵横 墙及楼 板 相互脱开，纵墙外闪，楼板 坠落，房屋失 去整体性， 严重时出现倒塌。
Seismic response analysis of multi-masonry structure
Liang Chengyu Che Yi Zhong Weiqiu （Dalian University of Technology, Dalian 116023, China）
Abstract: In damage statistics of Wenchuan Earthquake, collaps and casualties mainly happened with masonry structure. In order to find out how masonry structure collapse under seismic load, it is significant and necessary to make dynamic analysis. Based on Wenchuan Earthquake, failure characteristics of masonry structure under seismic load is explained. Research on how to establish a model to reflect the crushing and cracking of masonry structure under seismic action and on how to get damage process under earthquake through numerical simulation is presented. Finally, discussion on how to establish finite element model and how to analyze in ANSYS for masonry structure brought forward the conclusions that masonry structure model which was established by using representative volume element could effectively simulate masonry structure under seismic action, showed the development of crushing and cracking resulting with the seismic time history, and provided technical support for dynamic analysis and simulation of masonry structure. Keywords: masonry structure; stress-strain relationship; representative volume element; dynamic analysis; seismic action E-mail: lcymac@163.com
0.124
0.132
0.149
2010 年
密度 （kg/m3）
1837
单轴抗拉强 单轴抗压强
度（Pa）
度（Pa）
0.334 E+06 3.33E+06
多层砌体 砌体-框
框架-剪
Hale Waihona Puke Baidu结构类型
框架结构
钢结构
结构 架结构
力墙结构
可以使用 42（21%） 20（48%） 66（54%） 5（71%） 4（57%）
加固后可 74（37%） 9（21%） 40（32%） 2（29%） 3（43%）
以使用
停止使用 33（16%） 4（10%） 8（7%） 立刻拆除 52（26%） 9（21%） 9（7%）
（5）其他破坏。窗下墙较高且窗间墙较窄时，由 于抗剪力不足出现交叉裂缝；突出屋面的附属结 构 ，由 于“ 鞭 梢 效 应 ”的 影 响 破 坏 ，会 在 塌 落 时 伤 人。
2 多层砌体结构动力分析方法
由于组成砌体的砖与砂浆之间存在明显的二相 性 ，现 阶 段 对 其 进 行 动 力 分 析 时 通 常 采 用 离 散 性 模 型建模或连续性模型建模。离散性模型是把砌体离 散 成 砖 块 和 砂 浆 ，分 别 以 不 同 的 单 元 模 拟 砌 块 和 砂 浆 并 采 用 自 由 耦 合 方 法 连 接 ，以 此 进 行 离 散 单 元 建 模。虽然砖块和砂浆的材料特性能够按照规范选 取 ，但两者的连 接关系复杂 ，以此建立 的模型单 元 数 量 多 ，耗 时 长 ，精 度 也 不 是 很 高 ，一 般 只 应 用 于 模 拟小规模砌体构件的动力分析。连续性模型是利用 均 质 技 术 ，把 砖 块 和 砂 浆 材 料 均 质 为 一 种 连 续 介 质 材 料 ，形 成 可 以 等 效 砌 体 组 成 材 料 的 砌 体 等 效 体 积 单 元（Representative Volume Element，简 称 RVE），以 此进行连续单元建模。采用RVE单元的连续性模型 的优点是避开了离散性模型将砌体结构中的砂浆 和 块 材 分 别 考 虑 成 不 同 单 元 的 难 点 ，同 时 考 虑 了 砖 和砂浆的作用及其几何拓扑信息，并且缩减计算规 模。但是这种方法无法考虑两种材料之间的连接关 系，对砌体的开裂情况分析及各种破坏机理分析均存 在一定误差，因此只适宜分析大规模的砌体结构。
1 多层砌体结构地震破坏特征［1］
多层砌体结构在我国地震频繁的中西部地区应 用广泛。但由于组成砌体的砖与砂浆之间存在明显 的 二 相 性 ，使 砌 体 整 体 性 差 ，应 力 分 布 很 不 均 匀 ，且 抗拉强度仅是混凝土的1/10，延性很小，属于脆性材 料。在水平地震作用下，很快受拉屈服，在变形很小 的 情 况 下 砌 体 会 迅 速 开 裂 或 压 碎 破 坏 ，进 而 整 个 结 构局部或 整体倒塌 ，造成很大的 灾害，在汶川 地 震 中表现的分外明显。
第 43 卷增刊 2 0 1 0年
土木工程学报
CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNAL
Vol. 43 2010
多层砌体结构的地震反应分析
梁城宇 车 轶 仲伟秋
（大连理工大学，辽宁大连 116023）
摘要：在汶川地震后的震害统计中发现，倒塌并造成人员伤亡的主要是多层砌体结构，因此对多层砌体结构进行 动力分析研究，了解多层砌体结构在地震作用下的破坏过程成为一件有意义和有必要的工作。结合汶川地震，阐 述多层砌体结构在地震作用下的破坏特征，研究如何通过数值模拟得到能反映多层砌体结构在地震作用下的开 裂压碎情况的破坏过程。通过有限元软件ANSYS，探讨了多层砌体结构动力分析中的有限元建模分析方法，提出 运用砌体等效体积单元，建立多层砌体结构的方法能有效模拟在地震作用下多层砌体结构随着时间历程的发展 而产生的开裂压碎等破坏过程，为多层砌体结构的模拟分析提供技术支持。 关键词：砌体结构；本构关系；等效体积单元；动力分析；地震作用 中图分类号：TU352.1 文献标识码：A 文章编号：1000-131X（2010）增-0468-05
基金项目：973计划项目-城市工程的地震破坏与控制 作者简介：梁城宇，硕士研究生 收稿日期：2010-08-20
的发展显得尤为重要。
表 1 建筑震害情况统计（按结构形式分类） Table 1 Statistics of building seismic damage
（classification by structure）