李月霞 王飞朋
(1.太原理工大学，山西太原 030001; 2.运城职业技术学院，山西运城 044000)
0 引言
砌体结构目前是我国多层建筑中应用最广泛的结构体系，据估计，县、市城区的砌体结构占60%，村镇占80%，然而从2008年5·12汶川8.0级地震、2010年4月14日青海玉树7.1级地震以及2013年4月20日雅安芦山7.0级地震的震后调查中发现，大多数的砌体结构房屋震害均比较严重，因此砌体结构的抗震研究历来为学术界和工程界所重视。本文尝试利用ANSYS软件对砌体结构进行模拟，对砌体结构的受力性能和破坏形态作一研究，为相关研究的后续进行奠定了坚实的基础。
1 砌体结构有限元分析简介
1.1 有限元法介绍
有限元方法简写为FEM(the Finite Element Method)，是目前应用比较广泛的分析方法，已经成为工程模拟分析里最有效的途径之一，通俗的讲有限元法就是将复杂问题简单化，然后再求解。有限元分析的优越性在于可通过大规模参数计算，弥补试验数据不足，用于计算分析在试验中难以搞清楚的各种问题，可作为一种设计方法的工具，应用于模拟过程的分析，可以实现“全过程仿真”和“全过程分析”，且能得到结构在不同阶段的位移和应力相应信息。
1.2 有限元法在砌体结构中的应用
本文采用有限元通用软件ANSYS对试验过程进行模拟分析。目前国内用有限元分析砌体构件比较少，重庆大学的李英民，韩军，刘立平等人在2006年用ANSYS软件对砌体结构模型进行了研究，对破坏准则、收敛准则、本构关系等参数设置进行了研究，并举了一实例，可以证明，ANSYS可以用来分析砌体结构极限承载力、观察裂缝发展等。
2 问题的描述以及数据准备
2.1 截面尺寸
此墙体模型为一个工字形结构，各墙段宽度均为240mm，翼缘长为1500mm，腹板长为5000mm，砌体墙的高度为3000mm，另外，在墙体的底部加上200mm高的钢筋混凝土梁作为底座，为了加载的有效性，在其上部加上300mm高的梁。为了增强刚度，在梁上再附加一钢梁，其形状为箱形结构，尺寸为:宽240mm，长5000mm，高500mm，内壁厚度15mm。
2.2 材料性能
本墙体采用MU10烧结普通砖，砂浆为M10水泥砂浆，砌体材料参数如下:抗压强度设计值f=1.89MPa，弹性模量为1600f=1600×1.89=3.024×106Pa，附加上、下部梁为混凝土结构，标号为C30。
2.3 单元类型的选取
砌体采用Solid65实体单元进行模拟，而对混凝土梁采用Solid45，附加钢梁采用Beam188。
2.4 本构关系
砌体的本构关系(材料的应力应变关系)是砌体结构中的一项基本力学性能，由于其材料的特殊性，目前仍没有一个统一的定论。综合国内外资料，本文采用湖南大学刘桂秋提出的公式，研究砌体结构在单轴受压状态下的本构关系模型，表明上升段基本呈抛物线，下降段采用直线。砌体的应力应变关系见图1，其表达式如下:
图1 砌体应力应变关系
3 用ANSYS软件求解
3.1 基本假定
为了简化模型和便于计算，进行如下基本假定:1)假设砂浆与砖体粘结很好，没有滑移，且粘结力能够保证它们共同工作直至破坏;2)假设梁的刚度很大，墙体和顶梁之间粘结良好，无相对滑移;3)墙体底面固定，即无平动或转动;4)不考虑顶梁、砖块和砂浆的重力影响;5)平截面假定:从开始加载到截面破坏的整个过程中，砌体的水平截面的平均应变符合平截面的基本假定，把平截面假定作为一种承载力的计算手段，减少不必要的经验系数，为增强计算的逻辑性提供了更为有利的条件。
3.2 建模
砌体有限元模型主要有两种，分别为整体式模型和分离式模型。本论文采用整体式模型。
1)定义分析类型为结构工程。
2)定义单元类型Solid65选项如下:
3)定义实常数。
4)定义材料属性。
泊松比:0.15
破坏准则参数:
Shrcf-op张开裂缝的剪切传递系数:0.01
Shrcf-cl闭合裂缝的剪切传递系数:0.5
Untensst抗拉强度:0.4e6
Uncompst单轴抗压强度:－1
(若设定单轴抗压强度为－1，后面的参数不要设定，此时相当于带有“拉力截断”的Von Misses模型)
Solid45
上部混凝土梁:
弹性模量:3×1010Pa
泊松比:0.18
底部混凝土梁:
弹性模量:3.5×109Pa
泊松比:0.18
Beam188
弹性模量:2.06×1011Pa
泊松比:0.3
5)建立模型。
3.3 网格划分及编号合并
墙体和混凝土梁均采用的网格单元尺寸高度方向取100mm，长度宽度方向取120mm，网格模型图见图2。
图2 网格模型图
3.4 加载并求解
在钢梁节点上加水平位移，在混凝土梁上加均布荷载。竖向压应力载荷分别取 0，0.15MPa，0.3MPa，0.45MPa，0.6MPa，水平方向分步载入位移。
4 计算结果及分析
4.1 荷载—位移关系曲线
通过对墙片有限元模拟，可以得到荷载—位移曲线图，如图3所示，单位为MPa。
4.2 计算结果
墙片的抗震承载力与墙顶位移见表1。
图3 荷载—位移关系曲线图
表1 墙片的抗震承载力与墙顶位移
4.3 墙片破坏过程
计算结果表明，在反复荷载作用下，各种应力状态下的墙片都具有大致相同的破坏特征。墙片工作可分为弹性阶段、裂缝出现与开展阶段和破坏阶段。墙片开裂前处于弹性工作状态，荷载和位移接近线性关系;随着荷载的逐级增加，出现细小的裂缝;达到极限荷载时，出现贯通的主裂缝，墙体破坏。
5 结语
墙体裂缝随着墙顶应力的不同而不同，竖向压应力较低时，墙片易出现沿底层的通缝破坏，压应力较小时，第一皮砖与底座梁之间发生通缝破坏。竖向压应力较大时，在载入端的墙体下部，先出现水平裂缝，随着荷载和位移的增加，裂缝逐渐沿竖向发展，并且水平裂缝发展的速度比竖向的要快很多。
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［3］曾晓明，杨伟军，施楚贤.砌体受压本构关系模型的研究［J］.四川建筑科学研究，2001，31(3):55-70.
［4］王飞朋.转角截面砌体墙足尺试件的设计制作与弯曲破坏试验模拟分析［D］.太原:太原理工大学，2012.
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