基于ABAQUS模擬的速接式輕鋼構造柱研究

董

(合肥工業大學土木與水利工程學院,合肥 230009)

0 引 言

我國的建筑工程填充墻大多采用砌塊砌筑,需要在結構的相關部位增設鋼筋混凝土構造柱,構造柱與結構共同作用增強對填充墻的約束作用,避免在地震時墻體散落。在長期工程實踐過程中,傳統的鋼筋混凝土構造柱施工困難、工期和成本等方面存在諸多問題;其設計用材、施工工藝等,已經不適宜現代建筑用材和施工手段,更不符合綠色建筑的要求。為此,本文研究一種輕鋼構造柱替代傳統的鋼筋混凝土構造柱,實現工業化生產,現場快速組裝,以提高工效、降低成本、確保工程質量。并為此進行了輕鋼構造柱和鋼筋混凝土構造柱對比試驗。

本文依托輕鋼構造柱試驗,采用有限元軟件ABAQUS模擬輕鋼構造柱對加氣混凝土砌塊填充墻的約束作用。引入混凝土塑性損傷模型模擬填充墻砌體本構關系。通過模擬數據和試驗結果對比,為輕鋼構造柱設計提供計算方法,以供輕鋼構造柱的工程實際應用參考。

1 試驗概況及模型參數

1.1 試驗模型

為考察輕鋼構造柱約束墻體的性能,進行了6片墻體試件的單向加載試驗,對比分析了輕鋼構造柱約束墻體和混凝土構造柱對墻體的約束能力。其中編號SW-1、SW-2、SW-3為輕鋼構造柱墻體試件,編號CW-1、CW-2、CW-3是混凝土構造柱墻體試件,本文主要介紹輕鋼構造柱墻體實驗。

試件采用鋼筋混凝土框架結構,框架梁、柱及配筋均為工程常見做法。填充墻尺寸5 000 mm×2 500 mm,厚度均為200 mm,采用M5.0加氣混凝土砌塊,構造柱布置在填充墻正中間。輕鋼構造柱采用Q235鋼材,截面尺寸如圖1所示。傳統混凝土構造柱采用C20混凝土,采用工程常規做法。填充墻內每隔500 mm布置2根直徑6 mm的HRB400通長拉結筋,試驗整體模型如圖2所示。

圖1 輕鋼構造柱截面(單位:mm)Fig.1 Normal section of steel-tie-column (Unit:mm)

輕鋼構造柱與框架梁連接時,在框架梁的相應位置預埋鋼板,將輕鋼構造柱焊接在預埋鋼板上,需保證焊接的強度不小于混凝土構造柱的連接強度。輕鋼構造柱連接詳圖如圖3所示。

1.2 加載方案

在地震力作用下,主要由框架結構承擔地震剪力,構造柱不參與抗震計算。砌體填充墻在平面內受框架梁柱約束不會發生傾覆。但在平面外填充墻的約束較弱,主要靠拉結筋拉住墻體,以及構造柱、框架柱與墻體接觸面的摩擦力約束墻體,避免填充墻被甩出平面外。本試驗模擬地震作用下構造柱和拉結筋發揮作用的原理,故對結構墻體施加平面外水平荷載。

圖2 試驗整體模型(單位:mm)Fig.2 Model of the test (Unit:mm)

圖3 輕鋼構造柱與框架梁的連接(單位:mm)Fig.3 Connection of steel-tie-column and frame beams (Unit:mm)

本試驗采用單向分級加載,對墻體施加單向對稱的平面外水平荷載,荷載通過加載架傳遞至墻體。每級加載10 kN,直至試件破壞。試件加載面為B面,非加載面為A面。試驗加載裝置如圖4所示。試驗的應變片和位移計及其測點布置方案如圖5所示。

圖4 試驗加載裝置Fig.4 Figure of the load device

2 有限元模型建立

2.1 ABAQUS模型及參數設定

模型中的框架梁柱、墻體、構造柱均采用實體單元C3D8R建模。混凝土框架內鋼筋和墻體內拉結筋采用桁架單元建模。拉結筋的端部節點與輕鋼構造柱表面節點采用Tie綁定連結。拉結筋在墻體部分采用Embed內置區域連接。輕鋼構造柱上下端與框架梁鉸接。框架柱柱底采用剛接,框架梁與框架柱的連接為剛接。試件有限元模型網格劃分如圖6所示。

圖5 測點布置圖和測量裝置Fig.5 Arrangement of load device and measuring equipment

圖6 試驗整體有限元模型網格劃分Fig.6 Finite element model and mesh division

2.2 材料本構關系

鄭妮娜[1]詳細介紹了用ABAQUS模擬砌體結構時,采用砌體結構整體式模型分析的優勢,即整體式模型基于連續性和均質性的假設,將砂漿和砌塊作為一個整體來考慮。此外,考慮到砌體受拉破壞特性與混凝土材料相近,引入混凝土塑性損傷模型建立砌體材料的本構關系。砌體材料本構關系相關參數的設置,經張望喜[2]驗證選取合理,其砌體采用混凝土損傷模型與試驗較為符合。

目前,關于蒸壓加氣混凝土砌塊的本構關系的研究較少,劉雪梅[3]對蒸壓加氣混凝土砌塊進行了力學性能試驗,給出受壓應力-應變曲線,并對加氣混凝土砌體的抗壓性能和抗彎抗拉性能做了深入研究。結合鄭妮娜提出的砌體受拉段的簡化模型,確定砌筑填充墻本構關系。砌體本構關系表達式如下:

(1)

本文選用ABAQUS整體式模型模擬墻體的受力反應。混凝土框架本構關系模型采用混凝土規范的混凝土單軸受壓(拉)應力-應變曲線表達式;鋼材的本構關系選擇理想的彈塑性材料進行模擬。拉結筋、輕鋼構造柱、框架梁柱的材料參數如表1和表2所示。

表1 鋼材材料參數表Table 1 Steel properties

表2 砌體與混凝土材料參數表Table 2 Masonry and concrete properties

3 模擬結果對比

根據試驗結果,輕鋼構造柱片墻最大極限承載力為285 kN (SW-2試件),混凝土構造柱片墻最大極限承載力為235 kN,而編號SW-3、CW-4、CW-6試件極限承載力最小,僅210 kN。試驗為對比分析輕鋼構造柱片墻和混凝土構造柱片墻,故試件取極限荷載的最小值。為了減小試驗的偶然誤差,取試件SW-1、SW-2、SW-3的試驗數據平均值與有限元模擬結果進行對比。

3.1 拉結筋應力

試件A面拉結筋應力(試件的L11測點即為應力最大部位)的有限元模擬值與試驗值對比曲線如7所示,模擬得到的拉結筋應力最大值61.01 MPa,試驗得到的應力最大值63.38 MPa。模擬與試驗值相差3.74%。拉結筋應力發展均勻緩慢,拉結筋應力遠小于鋼筋的屈服強度。有限元模擬時,考慮填充墻砌體有一定的抗拉承載力,砌體達到抗拉極限后,主要由拉結筋承擔墻體荷載。而試驗結果顯示,拉結筋在墻體受力之初就發揮了良好的受力作用。

圖7 L11拉結筋應力模擬與試驗對比Fig.7 Contrast on load-stess curves of tie barbetween calculated and tested values

3.2 墻體位移

墻體位移測點布置在試件A面墻體中心處(試件的S3測點),其有限元模擬與試驗對比曲線如圖8所示。模擬得到的填充墻最大位移6.569 mm,試驗測得填充墻最大位移6.443 mm,模擬與試驗值相差1.95%。說明引入混凝土塑性損傷理論確定砌體的本構關系的做法可行。墻體位移發展較小,僅為墻體高度的1/403,且由試驗可知墻體破壞時并沒有發生傾覆,說明輕鋼構造柱約束墻體的效果較好,拉結筋能有效拉結墻體,控制墻體位移發展避免墻體傾倒。

圖8 墻體位移模擬與試驗對比Fig.8 Contrast on load- displacement curves of wallbetween calculated and tested values

3.3 構造柱位移

輕鋼構造柱位移的有限元模擬與試驗對比曲線如圖9所示。模擬得到的構造柱最大位移0.763 mm,試驗測得構造柱最大位移2.657 mm。試驗結束后剝開構造柱位移測點附近的抹灰層,發現抹灰層和翼緣外表面有1.5～2 mm的縫隙,這是由于輕鋼構造柱和填充墻外側抹灰層較厚,而墻體位移比輕鋼構造柱位移大,導致加載過程中抹灰層和輕鋼構造柱翼緣外表面發生了脫離現象,所以位移計測量的位移比實際輕鋼構造柱的位移大,如圖10所示。試驗現象說明水平外荷載較大時抹灰層容易在輕鋼構造柱界面脫開,但并不影響輕鋼構造柱的作用效果。加載初期軟件模擬數據和實驗位移數據擬合較好,并且考慮到上述試驗現象,認為有限元模擬的結果可以接受。

圖9 輕鋼構造柱位移模擬與試驗對比Fig.9 Contrast on load- displacement curves of steel-tie-column between calculated and tested values

圖10 輕鋼構造柱與抹灰層脫離Fig.10 Detachment of steel-tie-column and floated coat

構件設計時,保證輕鋼構造柱的抗彎剛度不小于傳統混凝土構造柱的抗彎剛度。由于輕鋼構造柱在工廠加工完成,施工現場僅裝配在結構梁上,故輕鋼構造柱的強度和抗彎剛度有質量保障。由試驗可知,輕鋼構造柱的位移很小,僅為構造柱高度的1/940。

3.4 墻體受拉損傷模擬

ABAQUS軟件模擬墻體時,混凝土塑性損傷模型在積分點不會出現“真實的裂紋”,但可以通過等效塑性應變模擬“裂縫”出現的位置和形狀,從而與試驗墻體開裂位置和形狀相比較,預判結構的薄弱部位。等效塑性應變是某一節點處塑性應變在整個分析步中的積分,表示了整體的塑性應力累積分布情況。通過顯示應力等效塑性應變來顯示裂紋的開展情況。填充墻加載面的破壞形態模擬與試驗對比如圖11所示。

圖11 填充墻等效塑性應變分布與試驗裂縫情況對比Fig.11 Contrast of distribution of PEEQ by analysis and cracks distribution in testing

墻體受平面外水平線荷載的作用,模擬地震作用下,有墻體向平面外被甩出的趨勢。墻體非加載面主要是受拉破壞,加載面墻體主要是受壓破壞和受剪破壞。有限元軟件模擬的裂縫位置和開展形狀與試驗結果相近。說明引入塑性損傷的砌體本構模型是可行的。雖然墻體出現裂縫,但試件破壞時并沒有傾覆,說明輕鋼構造柱對墻體的約束作用、拉結筋的對墻體的拉結都是有效的。

4 結 論

通過ABAQUS對輕鋼構造柱砌筑填充墻的單項加載試驗進行模擬,驗證了基于混凝土塑性損傷模型的砌體本構關系的可靠性。根據有限元軟件模擬結果與輕鋼構造柱實驗結果對比,得到以下結論;

(1) 通過有限元軟件模擬與試驗對比,模擬結果與試驗數據較接近,說明采用有限元軟件分析構造柱與墻體協同作用的計算方法可行。

(2) 墻體中的拉結筋應力模擬結果和試驗數據吻合較好,且應力遠小于鋼筋屈服強度。說明拉結筋與輕鋼構造柱連接牢固,在墻體開裂后發揮拉結效果較好,保證墻體不會輕易傾覆。

(3) 對墻體采用整體式有限元模型建模分析時,墻體裂縫的位置和形狀基本可以通過墻體等效塑性應變云圖判斷。

(4) 輕鋼構造柱的剛度大位移小,在墻體發生位移時,構造柱能有效約束墻體。證明輕鋼構造柱能夠起到約束墻體的作用,輕鋼構造柱應用于建筑工程項目是可行的。

綜上所述,輕鋼構造柱強度和剛度、約束墻體位移的能力、與拉結筋連接效果均能滿足規范對構造柱的使用要求。且輕鋼構造柱施工方便,既能保證工程質量,又有利于裝配化施工縮短施工周期,故建議輕鋼構造柱應用于實際工程中。

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