新型砌塊填充墻RC框架結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬★

張永兵 盧丹豪 代柏樂

(廣西大學(xué)，廣西 南寧 530004)

1 概述

填充墻框架結(jié)構(gòu)是指在框架結(jié)構(gòu)中砌筑填充墻的建筑結(jié)構(gòu),我國規(guī)范在進(jìn)行填充墻框架結(jié)構(gòu)的相應(yīng)抗震性能計算時,并未考慮填充墻對框架的影響,僅僅是將填充墻的自重作為均布荷載施加在框架上;在計算結(jié)構(gòu)的動力特性時,也僅僅是簡單的考慮填充墻的影響,將結(jié)構(gòu)的自振周期進(jìn)行相應(yīng)的折減。但實際情況中,填充墻對框架結(jié)構(gòu)的自振周期、受力和破壞模式均會造成一定的影響。由于填充墻對框架結(jié)構(gòu)的約束作用,框架梁柱更容易形成短梁、短柱而發(fā)生破壞。為此,大量的國內(nèi)外學(xué)者對填充墻對框架的影響進(jìn)行了大量的試驗與深入的理論研究。尤其近幾年的地震災(zāi)害更明顯地表明,填充墻框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計理論方面還存在諸多的有待完善之處,填充墻對框架結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制還有待進(jìn)一步的研究。

1996年,Mosalam[1]對填充墻框架結(jié)構(gòu)展開了深入研究,通過理論分析發(fā)現(xiàn)填充墻對結(jié)構(gòu)剛度的影響比較大,并就填充墻框架結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀提出了一系列的問題與解決方案。2007年,Kakaletsis和Karayannis[2]進(jìn)行了一系列試驗,通過試驗研究填充墻框架在開洞后滯回曲線的不同之處,并針對填充墻洞口大小以及位置等變量展開了大量研究。2012年,黃群賢[3]針對4榀單層單跨混凝土空心砌塊填充墻鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,通過試驗結(jié)果得出:填充墻提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)的剛度和耗能能力也獲得了較大的提高。

本文運(yùn)用OpenSees有限元軟件,對填充墻RC框架結(jié)構(gòu)在低周反復(fù)荷載作用下的水平力-位移滯回行為進(jìn)行模擬,通過模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的對比分析,來驗證模型選取與參數(shù)選取的可靠性與準(zhǔn)確性,為填充墻RC框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計與抗震評估提供參考。

2 填充墻RC框架結(jié)構(gòu)數(shù)值模型

2.1 OpenSees介紹

OpenSees(Open System for Earthquake Engineering Simulation,簡寫:OpenSees)是目前用于建筑結(jié)構(gòu)分析的較為先進(jìn)的有限元軟件,它相比其他商業(yè)有限元軟件有較大突出的優(yōu)勢。由于OpenSees開放所有的源代碼允許使用者重新編譯源代碼,因此對原有程序進(jìn)行二次開發(fā)變得十分簡單,用戶可以根據(jù)需要添加新開發(fā)的材料本構(gòu)和相關(guān)的單元,因此,OpenSees內(nèi)部集成了國內(nèi)外最為先進(jìn)的算法和最新的單元、材料模型,能夠滿足廣大科研人員的需求。

2.2 框架模型

在強(qiáng)烈地震作用下,RC框架結(jié)構(gòu)可能在梁柱端部形成塑性鉸而發(fā)生塑性破壞,而梁柱中部受到的損傷較少。本文中,鋼筋混凝土梁柱兩端的塑性鉸區(qū)采用零長度彈簧單元來模擬,梁柱中部保持彈性,采用彈性梁柱單元來模擬,塑性鉸的材料模型采用考慮了構(gòu)件的捏攏效應(yīng)的Ibarra-Medina-Krawinkler退化模型來模擬。該模型的骨架曲線為三線形,主要需要五個參數(shù)來控制模型的單調(diào)和循環(huán)行為，分別為:屈服彎矩、初始剛度、峰值彎矩、屈服到峰值段塑性轉(zhuǎn)角和軟化段轉(zhuǎn)角或軟化段剛度。通過對255個鋼筋混凝土柱的歸納分析總結(jié),Haselton[4]等人對其中的參數(shù)提出了相應(yīng)的計算公式,詳見文獻(xiàn)[4]。

2.3 填充墻模型

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果,填充墻采用等效對角支撐[5]來模擬,如圖1所示。為了更真實的體現(xiàn)填充墻對框架的作用,在同一對角方向采用兩根受壓斜桿來模擬填充墻的非線性行為,如圖1所示,在OpenSees中填充墻等效對角受壓斜桿采用桁架單元來模擬。Henry對兩對對角斜撐之間的受力關(guān)系進(jìn)行了研究,通過對大量試驗的理論分析研究,最終得出研究結(jié)果:偏對角斜撐與中心對角支撐的受力之比為1∶3[5]。

3 模擬結(jié)果與試驗對比分析

3.1 模型的建立

本文中三榀框架的試驗數(shù)據(jù)均來自本課題組之前的試驗[6]。三榀框架分別為純框架試件BF、完全填充墻框架試件IF和開窗洞填充墻框架試件IFW,試件的詳細(xì)尺寸及材料參數(shù)見文獻(xiàn)[6]。三榀框架均進(jìn)行位移控制的低周反復(fù)荷載加載試驗,在試驗后得到各個框架的滯回曲線數(shù)據(jù)。本文基于OpenSees軟件,分別建立三榀框架的數(shù)值模型,首先定義各節(jié)點的坐標(biāo),接著定義框架各部位采用的單元:其中框架的梁柱采用彈性單元elasticBeamColumn來模擬,梁柱兩端采用零長度單元zeroLength來模擬,填充墻采用桁架單元Truss來模擬,然后將混凝土、鋼筋和填充墻等材料的參數(shù)賦予相應(yīng)的單元截面,最后運(yùn)行OpenSees,得到模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果,與試驗的實際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

3.2 對比分析

三榀框架試件數(shù)值模擬與試驗的滯回曲線結(jié)果對比見圖2。

通過圖2各滯回曲線的對比分析可以得出:

1)各試件模擬的滯回曲線與試驗滯回曲線從整體上基本吻合,在每個位移角循環(huán)階段,試件的模擬承載力與實際情況比較接近,各個滯回環(huán)的面積比試驗所得到的滯回環(huán)面積略有偏大,偏大面積部分即相當(dāng)于試驗過程中由于各種因素引起的能量損耗,但誤差值在允許范圍之內(nèi)。

2)試件IFW的滯回曲線在初始階段擬合的相對較好,但是當(dāng)試驗進(jìn)行到退化階段后期,模擬所得的試件基底剪力要大于試驗的基底剪力,這是由于在實際試驗過程中,填充墻砌塊被壓碎后發(fā)生了局部的倒塌,進(jìn)而導(dǎo)致填充墻完全退出工作,而在模擬的時候,即使填充墻砌塊被壓碎,也還留有殘余強(qiáng)度,正是這個原因,導(dǎo)致模擬的滯回曲線最后階段要高于試驗曲線。

3)從三榀框架的模擬滯回曲線與試驗滯回曲線的吻合度來看,模型所采用的彈性梁柱單元與集中塑性鉸單元模型對RC框架有較好的擬合度,將燒結(jié)頁巖空心砌塊填充墻等效為對角受壓斜撐的恢復(fù)力模型也是比較合理的,驗證了本次模型的建立具有一定的準(zhǔn)確性與適用性。

4 結(jié)語

本文基于OpenSees軟件,采用梁柱塑性區(qū)的零長度單元和填充墻等效斜撐模型對填充墻RC框架進(jìn)行模擬,得到的滯回曲線與試驗的結(jié)果較為吻合,驗證了分析時選取的模型的合理性與適用性。另一方面,模擬的結(jié)果也說明了本文參數(shù)選取的正確性,從而驗證了燒結(jié)頁巖空心砌塊填充墻等效斜撐參數(shù)計算公式的正確性和適用性,為將來采用不同材料的砌塊作為填充墻的理論計算奠定了基礎(chǔ)。