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【摘 要】本文针对新疆地区土坯墙体进行抗震分析，选取2种天然波+1种人工波，用ANSYS软件分析土坯砌体在8度中震、大震作用下弹塑性阶段的反应。从破坏时间、破坏面积、裂缝开展等几个方面比较，分析不同地震波作用下结构的破坏，以及同一地震波不同烈度对砌体的抗震性能的影响，为下一步的抗震加固奠定基础。
【关键词】ANSYS；弹塑性阶段；地震波；抗震加固
土坯建筑是生土建筑的一种，生土是人类最早的使用建筑材料之一，使用范围遍布世界各地。加强生土材料高强及耐久性研究、生土结构体系抗震性能研究及生土建筑节能研究，对于我国新农村建设具有重大的现实意义[1]。
我们从人居环境可持续发展的观念，及生态文明的社会层面上，重新审视“生土”这一古老的建筑材料时，就清醒地认识到“生土”是西北地区最有发展前景的绿色建筑材料之一[2]。世界各地的地震灾害研究表明，传统的土坯建筑的抗震性能表现拙劣，在地震作用下结构發生严重破坏甚至倒塌，造成巨大的伤亡和经济损失[3～4]。
本文主要是针对新疆南疆地区的土坯砌体的抗震性能的研究。新疆处地震多发区，历次震害表明，生土建筑的破坏尤为严重，所以对生土建筑的抗震性能的研究成为一个必然趋势。
1 有限元模型建立及所选参数
本文采用ANSYS软件进行土坯砌体的抗震性能的研究，其中计算模型采用整体式模型，为了简化计算，需做如下假设：
1、砌体材料视为匀质材料；
2、墙体的底端为固定端支座，顶端为悬臂；
建立模型的尺寸 （高宽比为2），模型如图1所示：
图1 墙体模型 图2应力-应变曲线
选用的单元为SOLID65单元[5]，该单元具有塑性、徐变、开裂和压碎等性质。应力应变曲线如图2。
2 地震波的选取
根据我国《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）[6]规定，选用不少于两组实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线。
本文选取的两条天然波分别是El-Centro波和Tafe波。都是位于中等场地条件下的地震波。其中El-Centro波的记录如图3，其峰值加速度3.417m/s2（2.14s），持续时间53.48s，加速度峰值不大，但包含有丰富的长周期成分且持续时间中等。如图4加速度反应谱所示当结构周期等于0.25 s时，幅值达到最大值9.0m/s2，本结构自振周期第一阶1.19s，第二阶0.27s， 因此可以观测土坯墙体较大动力响应。Tafe波的记录如图5，其峰值加速度1.7m/s2（3.27s），持续时间54.40s，加速度峰值不大，但包含有丰富的长周期成分且持续时间中等。如图6加速度反应谱所示当结构周期等于0.44s时，幅值达到最大值5.8m/s2。天然波跟人工波均按规范进行调幅，设防烈度8度，小震0.7m/s2，中震2m/s2，大震4m/s2，模型的X方向为主振方向，输入完整地震波。
图3 El-Centro波加速度时程曲线 图4 El-Centro波周期-加速度曲线
图5 Tafe波加速度时程曲线 图6 Tafe波周期-加速度曲线
3 地震作用的结果与分析
对该模型分别输入三种地震波，笔者对大震、中震下做如下分析。
地震波类别 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
El-Centr 波 中震 1.72 4 26% 1.48 2.25 1600 0.02 0.18。
大震 1.66 40 38% 1.28 15.70 31100 0.37 0.80。
Tafe波 中震 3.92 12 30% 3.70 4.57 2000 0.05 0.19。
大震 3.46 27 32% 3.18 16.73 56000 0.11 0.48。
人工波 中震 4.80 5 28% 4.58 1.54 4600 0.03 0.10。
大震 1.88 5 28% 1.64 1.33 30900 0.07 0.50。
注①指破坏时间，单位s；②指总位移，单位mm；③指破坏面积百分率；④第一条裂缝出现的时间，单位s；⑤破坏时顶点处加速度最大值，单位m/s2；⑥等效应力的最大值，单位KN/m2；⑦应变最大值；⑧侧移角。
数据分析如下：1、输入El-Centro波，中震和大震均未达到地震波的加速度峰值，墙体就发生破坏，持续时间非常短暂，差距较小。破坏面积、发生的总位移等相差较大。2、输入Tafe波，中震和大震持续时间较长，已超过加速度峰值对应的时间，总位移、破坏面等差距较El-Centro波小。3、输入人工波，中震、大震对墙体破坏所用的时间相差较大，但是总的位移、破坏面积百分率却很接近。4、不同种类、不同烈度的地震波虽然使得结构在不同的时间出现了第一条裂缝，但是结构裂缝出现的位置是一致的（左边墙角处），而且此时结构的变形均为3mm。5、结构的裂缝开展是从墙角处逐渐向中部、上部扩展，结构底部有鼓凸现象。结构破坏是由于底部裂缝的开展以及底部向外鼓凸而失去承载力。
结论：本文主要是针对新疆南疆地区的土坯砌体的抗震特性进行研究，通过输入2种天然波和1种人工波对高宽比为2的土坯砌体进行分析，得出如下结论：（1）素土坯砌体的抗震性能差，很短时间内就可发生破坏。（2）平面内输入天然波和人工波都会使结构产生扭转的效应，天然波的扭转效应更强烈，同一种地震波扭转效应跟烈度成正比。（3）土坯砌体在三种波的作用下，在相同的位置产生第一条裂缝，且此时结构发生的位移均为3mm。
参考文献：
[1] 王沛钦，郑山锁，等，走向生土建筑结构[J].工业建筑，2008，38（3）：101-105.
[2] 王军，吕东军.走向生土建筑的外来[J].西安建筑科技大学学报， 2001， 33（1）： 147-149.
[3] Lynne. Elizabenth， Cassandr. Adams. Alternative Construction： Contemporary Natural Building Methods[M].United State：John Wiley and Sons：2000.
[4] J. C. Morel， A. Mesbah， M.Oggero， P.Walker. Building Houses with Local Materials： Means to Drastically Reduce the Environmental Impact of Construction[J]. Building and Envonriment， 2001， 36： 119—1126.Ngowi，A.B. Improving the traditional earth construction[J]. Construction and building materials. 1997， Vo1.11.No.1：1-7.
[5] 薛伟辰，刘振勇.预应力砌体结构研究及应用进展.见：2005年全国砌体结构理论与工程应用学术会议论文集.上海：同济大学出版社， 2005.396-400.
[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010. 北京：中国建筑工业出版社，2010.
【关键词】ANSYS；弹塑性阶段；地震波；抗震加固
土坯建筑是生土建筑的一种，生土是人类最早的使用建筑材料之一，使用范围遍布世界各地。加强生土材料高强及耐久性研究、生土结构体系抗震性能研究及生土建筑节能研究，对于我国新农村建设具有重大的现实意义[1]。
我们从人居环境可持续发展的观念，及生态文明的社会层面上，重新审视“生土”这一古老的建筑材料时，就清醒地认识到“生土”是西北地区最有发展前景的绿色建筑材料之一[2]。世界各地的地震灾害研究表明，传统的土坯建筑的抗震性能表现拙劣，在地震作用下结构發生严重破坏甚至倒塌，造成巨大的伤亡和经济损失[3～4]。
本文主要是针对新疆南疆地区的土坯砌体的抗震性能的研究。新疆处地震多发区，历次震害表明，生土建筑的破坏尤为严重，所以对生土建筑的抗震性能的研究成为一个必然趋势。
1 有限元模型建立及所选参数
本文采用ANSYS软件进行土坯砌体的抗震性能的研究，其中计算模型采用整体式模型，为了简化计算，需做如下假设：
1、砌体材料视为匀质材料；
2、墙体的底端为固定端支座，顶端为悬臂；
建立模型的尺寸 （高宽比为2），模型如图1所示：
图1 墙体模型 图2应力-应变曲线
选用的单元为SOLID65单元[5]，该单元具有塑性、徐变、开裂和压碎等性质。应力应变曲线如图2。
2 地震波的选取
根据我国《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）[6]规定，选用不少于两组实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线。
本文选取的两条天然波分别是El-Centro波和Tafe波。都是位于中等场地条件下的地震波。其中El-Centro波的记录如图3，其峰值加速度3.417m/s2（2.14s），持续时间53.48s，加速度峰值不大，但包含有丰富的长周期成分且持续时间中等。如图4加速度反应谱所示当结构周期等于0.25 s时，幅值达到最大值9.0m/s2，本结构自振周期第一阶1.19s，第二阶0.27s， 因此可以观测土坯墙体较大动力响应。Tafe波的记录如图5，其峰值加速度1.7m/s2（3.27s），持续时间54.40s，加速度峰值不大，但包含有丰富的长周期成分且持续时间中等。如图6加速度反应谱所示当结构周期等于0.44s时，幅值达到最大值5.8m/s2。天然波跟人工波均按规范进行调幅，设防烈度8度，小震0.7m/s2，中震2m/s2，大震4m/s2，模型的X方向为主振方向，输入完整地震波。
图3 El-Centro波加速度时程曲线 图4 El-Centro波周期-加速度曲线
图5 Tafe波加速度时程曲线 图6 Tafe波周期-加速度曲线
3 地震作用的结果与分析
对该模型分别输入三种地震波，笔者对大震、中震下做如下分析。
地震波类别 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
El-Centr 波 中震 1.72 4 26% 1.48 2.25 1600 0.02 0.18。
大震 1.66 40 38% 1.28 15.70 31100 0.37 0.80。
Tafe波 中震 3.92 12 30% 3.70 4.57 2000 0.05 0.19。
大震 3.46 27 32% 3.18 16.73 56000 0.11 0.48。
人工波 中震 4.80 5 28% 4.58 1.54 4600 0.03 0.10。
大震 1.88 5 28% 1.64 1.33 30900 0.07 0.50。
注①指破坏时间，单位s；②指总位移，单位mm；③指破坏面积百分率；④第一条裂缝出现的时间，单位s；⑤破坏时顶点处加速度最大值，单位m/s2；⑥等效应力的最大值，单位KN/m2；⑦应变最大值；⑧侧移角。
数据分析如下：1、输入El-Centro波，中震和大震均未达到地震波的加速度峰值，墙体就发生破坏，持续时间非常短暂，差距较小。破坏面积、发生的总位移等相差较大。2、输入Tafe波，中震和大震持续时间较长，已超过加速度峰值对应的时间，总位移、破坏面等差距较El-Centro波小。3、输入人工波，中震、大震对墙体破坏所用的时间相差较大，但是总的位移、破坏面积百分率却很接近。4、不同种类、不同烈度的地震波虽然使得结构在不同的时间出现了第一条裂缝，但是结构裂缝出现的位置是一致的（左边墙角处），而且此时结构的变形均为3mm。5、结构的裂缝开展是从墙角处逐渐向中部、上部扩展，结构底部有鼓凸现象。结构破坏是由于底部裂缝的开展以及底部向外鼓凸而失去承载力。
结论：本文主要是针对新疆南疆地区的土坯砌体的抗震特性进行研究，通过输入2种天然波和1种人工波对高宽比为2的土坯砌体进行分析，得出如下结论：（1）素土坯砌体的抗震性能差，很短时间内就可发生破坏。（2）平面内输入天然波和人工波都会使结构产生扭转的效应，天然波的扭转效应更强烈，同一种地震波扭转效应跟烈度成正比。（3）土坯砌体在三种波的作用下，在相同的位置产生第一条裂缝，且此时结构发生的位移均为3mm。
参考文献：
[1] 王沛钦，郑山锁，等，走向生土建筑结构[J].工业建筑，2008，38（3）：101-105.
[2] 王军，吕东军.走向生土建筑的外来[J].西安建筑科技大学学报， 2001， 33（1）： 147-149.
[3] Lynne. Elizabenth， Cassandr. Adams. Alternative Construction： Contemporary Natural Building Methods[M].United State：John Wiley and Sons：2000.
[4] J. C. Morel， A. Mesbah， M.Oggero， P.Walker. Building Houses with Local Materials： Means to Drastically Reduce the Environmental Impact of Construction[J]. Building and Envonriment， 2001， 36： 119—1126.Ngowi，A.B. Improving the traditional earth construction[J]. Construction and building materials. 1997， Vo1.11.No.1：1-7.
[5] 薛伟辰，刘振勇.预应力砌体结构研究及应用进展.见：2005年全国砌体结构理论与工程应用学术会议论文集.上海：同济大学出版社， 2005.396-400.
[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010. 北京：中国建筑工业出版社，2010.