大震作用下填充墻對(duì)框架抗震性能的影響

秦文明，周昕，江瑋駿

（安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

大震作用下填充墻對(duì)框架抗震性能的影響

秦文明，周昕，江瑋駿

（安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

我國現(xiàn)行的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)中采用純框架模型，即不考慮實(shí)際填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。僅僅將填充墻的實(shí)際重量作為梁的恒荷載加載到計(jì)算模型上，并通過折減結(jié)構(gòu)的自振周期來估計(jì)填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的改變，加之設(shè)計(jì)中為了建筑的使用功能導(dǎo)致填充墻的不規(guī)則布置和業(yè)主在裝修過程中在填充墻上隨意開洞甚至移除墻體，造成了框架結(jié)構(gòu)模型的合理性有待商榷。針對(duì)該問題，建立考慮填充墻布置和開洞的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，并在罕遇地震作用下，對(duì)模型進(jìn)行了非線性時(shí)程分析。通過對(duì)不同模型之間各個(gè)參數(shù)的對(duì)比分析，分析了填充墻上不規(guī)則布置和開洞對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

框架填充墻結(jié)構(gòu)；ABAQUS軟件；時(shí)程分析；勻質(zhì)化模型

1 概 述

框架結(jié)構(gòu)具有開間大，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)答，造價(jià)低廉，建設(shè)周期短，布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，故在一些二、三線城市，框架結(jié)構(gòu)的建筑形式得到了廣泛的應(yīng)用。框架結(jié)構(gòu)可根據(jù)不同的建筑使用要求，布置不同的的功能分區(qū)，而填充墻則承擔(dān)了這種功能分區(qū)的職責(zé)。但在我國現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，填充墻并不計(jì)入結(jié)構(gòu)構(gòu)件，而是作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)也將其處理為等效荷載，附加在梁上。但是這樣并未考慮填充墻在實(shí)際地震作用中提供的結(jié)構(gòu)剛度。同時(shí)，作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在裝修過程中，常常因?yàn)槊烙^或功能分區(qū)的更改等因素，業(yè)主隨意在填充墻上開洞，甚至拆除墻體，這就更加加劇了結(jié)構(gòu)剛度的不規(guī)則變化。又因?yàn)榈卣鹱饔门c結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)，結(jié)構(gòu)的剛度變化不規(guī)則對(duì)其自身的抗震性能也有很大程度上的影響。在歷次實(shí)際震害中，也證明了填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制產(chǎn)生了明顯的影響。本文運(yùn)用有限元軟件 Abaqus，對(duì)由填充墻不規(guī)則布置和大開洞兩個(gè)方面引起的框架結(jié)構(gòu)在遇到罕遇地震作用下抗震性能的改變進(jìn)行了模擬和論證。通過對(duì)實(shí)際工程中存在的問題模擬、分析、驗(yàn)證。

2 填充墻模型選取

填充墻是由砌塊與砂漿粘結(jié)而成，砂漿的均勻程度，砌塊的質(zhì)量誤差，都會(huì)引起填充墻材料性質(zhì)的變化，故填充墻是一種各向異性的非勻質(zhì)復(fù)合材料。在我國現(xiàn)行的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如pkpm或yjk等主流的軟件中并未給出填充墻的模型建立方法，這就導(dǎo)致了計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程有誤差，引起的框架結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生“短柱破壞”、“薄弱層破壞”和“扭轉(zhuǎn)破壞”等。在填充墻模型的確立，除了需要確定填充墻的計(jì)算模型、材料的本構(gòu)模型，還要包括填充墻與框架結(jié)構(gòu)的連接方式的模擬。

經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者長(zhǎng)時(shí)間的努力和研究，填充墻的計(jì)算模型大體分可歸納為三種：斜壓桿模型、勻質(zhì)化有限元模型以及精細(xì)化有限元模型［1］。

2.1 受壓桿模型

上個(gè)世紀(jì)50年代，Polyakov基于桁架理論和填充墻受力特點(diǎn)。將填充墻的計(jì)算模型簡(jiǎn)化為作用于框架梁柱之間的斜壓桿，該斜壓桿在側(cè)向地震力作用下只受壓，桿內(nèi)無彎矩和剪力。然后為了符合破壞面積的模擬，經(jīng)過演化，由單壓桿改進(jìn)雙壓桿甚至多壓桿模型。這種簡(jiǎn)化符合填充墻的受力機(jī)理。在實(shí)際的震害作用過程中，桿件模型的屈服過程也可以實(shí)現(xiàn)填充墻的非線性分析，但是桿件模型并不適合本文研究的工程背景。

2.2 微觀有限元模型

在有限元軟件的逐漸興起中，為了追求模型的精確，很多學(xué)者提出了微觀有限元模型。微觀有限元模型考慮了實(shí)際填充墻上的砂漿，砌塊以及其連接方式。較真實(shí)的反映了實(shí)際的填充墻。但是該模型單元節(jié)點(diǎn)較多，運(yùn)算效率很低，而且不同材料的連接方式的模擬較為理想化，導(dǎo)致結(jié)果往往很難收斂。

2.3 勻質(zhì)化連續(xù)有限元模型

勻質(zhì)化連續(xù)有限元模型是將砌塊、砂漿以及填充墻中的拉結(jié)筋和構(gòu)造柱等看成一個(gè)整體，采用一個(gè)均勻的、各向同性的材料來模擬填充墻。該模型較斜壓桿模型能更準(zhǔn)確反映填充墻與框架之間的接觸關(guān)系，又可滿足填充墻在實(shí)際震害下的受力機(jī)理。本文采用ABAQUS中的殼單元來模擬填充墻。國內(nèi)外的研究人員采用此種方法模擬，精度高，建模快，取得了較好的分析結(jié)果。

圖1 填充墻模型

3 框架結(jié)構(gòu)有限元模型及地震波選取

本文以ABAQUS軟件為分析軟件，對(duì)填充墻在大震作用下進(jìn)行了彈塑性時(shí)程分析，研究了填充墻側(cè)向剛度對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

3.1 有限元模型的建立

建立 4個(gè)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型：空框架模型，滿布填充墻模型，開洞填充墻模型和不規(guī)則布置填充墻模型，分別編號(hào)為模型一到模型四。縱向和橫向完全對(duì)稱，橫向2跨，縱向4跨，每跨均為6m× 6m。層高為4層，每層高3.8m。總高15.2m。框架柱尺寸為400mm×400mm，框架梁尺寸均為250mm ×400mm，樓板采用剛性樓板假定，即平面內(nèi)樓板剛度無限大，在軟件中定義為120mm厚。填充墻厚度為240mm厚。

填充墻采用勻質(zhì)化連續(xù)有限元模型來模擬。填充墻的彈性模量E1=4kN/mm2。泊松比μ=0.37，密度ρ=1100kg/m3。模型梁柱板混凝土采用C30。縱向受力鋼筋采用HRB335，箍筋采用HPB235。模擬的場(chǎng)地設(shè)防烈度為7度，場(chǎng)地土類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。

軟件中模型單元選擇如下：梁柱采用beam單元（B31），填充墻和樓板采用shell單元（S4R），鋼筋采用三維 2節(jié)點(diǎn)桁架單元（T3D2）模擬。材料模型選擇如下：混凝土采用彈塑性損傷模型，鋼筋采用理想的彈塑性模型，砌體采用脆性斷裂模型［2］。梁柱和樓板的連接采用constraint中的tie連接。保證梁和樓板的剛性連接，在選擇樓板作為從屬面的時(shí)候選擇surface，從而保證了樓板在平面內(nèi)的剛度無限大。縱筋和箍筋構(gòu)成的鋼筋骨架通過 embeded嵌入到混凝土的模型中，可以保證鋼筋和混凝土之間沒有相對(duì)滑移。

3.2 地震波的選取

利用 abaqus對(duì)結(jié)構(gòu)建立分析模型，并進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析。地震波采用EI-centro波，取時(shí)為16s，地震波加載的時(shí)間步長(zhǎng)為 0.02s，根據(jù)規(guī)范，7度區(qū)罕遇地震峰值加速度220cm/s2，故需對(duì)地震波峰值更改。

4 動(dòng)力時(shí)程結(jié)果分析與討論

根據(jù)各國的抗震規(guī)范，震害經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)研究以及工程實(shí)例等分析得出，用層間位移角和層間位移作為衡量結(jié)構(gòu)變形能力、判斷結(jié)構(gòu)是否滿足建筑功能要求的指標(biāo)是合理的。通過對(duì)4個(gè)模型在大震作用下的非線性時(shí)程分析，將各個(gè)模型的層間位移角和層間位移作圖比較，如下圖。

圖2 結(jié)構(gòu)層間位移角

圖3 大開洞填充墻損傷模型

①有填充墻的框架模型和沒有填充墻的空框架模型的各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果相差都比較大，故在我們現(xiàn)在的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中忽略填充墻抗震性能的影響是不可取的

②通常情況下，在罕遇地震作用下，對(duì)應(yīng)切有相同峰值加速度的同一地震波，4個(gè)模型的層間位移角和層間位移都成下降趨勢(shì)，即沿著樓層層間位移逐漸減小，底層的層間位移最大，頂層最小［3］。但是在圖2中填充墻不規(guī)則布置的模型中，層間位移角曲線卻出現(xiàn)了“凸起”，說明填充墻的不規(guī)則布置，使結(jié)構(gòu)的上下層剛度出現(xiàn)了突變，形成了薄弱層，這對(duì)抗震是非常不利的。

③模型一到模型四的最大層間位移角為0.0125、0.0026、0.0067、0.0080，均未超出彈性層間位移角1/50的限值。可見均勻滿布填充墻模型的抗震性能最好。說明填充墻改變了結(jié)構(gòu)的剛度，提高了結(jié)構(gòu)的承載力。

5 結(jié) 論

①填充墻改變了框架結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)制，沿著樓層高度均勻布置填充墻可以有效地提高結(jié)構(gòu)體系的整體剛度，從而限制了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移，對(duì)抗震是有利的。

②當(dāng)填充墻水平不均勻布置時(shí)，使得樓層與樓層之間的剛度變化不均勻，容易形成薄弱層，若結(jié)果在薄弱層的填充墻上開洞，將加劇了該樓層與構(gòu)件在地震作用下的破壞，這對(duì)抗震是極為不利的，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要避免。

③由填充墻開洞的損傷云圖（圖3）來看，梁柱連接處填充墻的角部受力較大，在罕遇地震作用下容易先破壞，然后引起主體框架結(jié)構(gòu)的破壞，故在滿足裝飾和建筑使用功能的前提下，開洞的面積盡量不要過大。

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TU398+.2

A

1007-7359（2016）02-0192-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.067

秦文明（1988-），男，山西忻州人，安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院在讀碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。