軸壓比對輕鋼-泡沫混凝土組合墻體抗震性能影響的有限元分析

劉殿忠，劉欣怡

吉林建筑大學 土木工程學院,長春 130118

軸壓比是衡量墻體變形能力和抗倒塌能力的一項重要參數[1],在其他參數不變的情況下,墻體抗剪能力會隨軸壓比的增加而變大,但并不是無限增大,而是有一定的限值.據此,采用 ABAQUS軟件對輕鋼-泡沫混凝土組合墻體進行模擬,分析軸壓比對該墻體抗震性能的影響,為以后該類型組合墻體在結構設計和實際工程應用提供理論依據.

1 試件設計

組合墻體試件如圖1所示.本試件采用規格為C 100 mm×50 mm×20 mm×2.5 mm的冷彎薄壁C型鋼作為主體,50 mm×2.5 mm的扁鋼作為橫向及斜向拉結條[2],橫向拉結條間距500 mm[3],通過自攻螺釘將其連接在一起,形成墻體的型鋼骨架,并澆筑密度為1 200 kg/m3的泡沫混凝土,最終做成2 700 mm×1 300 mm×150 mm的組合墻體.

圖1 組合墻體試件(單位：mm)Fig.1 Composite wall specimens(Unit:mm)

圖2 泡沫混凝土損傷塑性模型Fig.2 Damage plasticity model of foamed concrete

2 有限元模型

2.1 材料定義

泡沫混凝土本構采用何書明所提出的泡沫混凝土本構關系,采用ABAQUS自帶的損傷塑性模型來考慮其塑性發展[4],模型曲線如2圖所示,模型參數取值見表1.

表1 混凝土塑性損傷模型參數Table 1 Plastic damage model parameters of concrete

圖3 型鋼應力σ-應變εFig.3 Steel stress σ-strain ε

型鋼為Q 345鋼,本構模型采用帶屈服平臺和下降段的全曲線模型(四折線模型),如圖3所示.彈性模量210 GPa,泊松比0.3,硬化模式為各向同性.

2.2 網格劃分

將泡沫混凝土單元和型鋼骨架單元尺寸設為50 mm,泡沫混凝土采用實體單元C 3 D 8 R,型鋼骨架采用三維殼單元S 4 R.用于施加荷載的剛性加載梁單元尺寸設為200 mm[5],單元類型選用C 3 D 8 R.

2.3 約束條件和邊界條件

將型鋼骨架采用embed嵌入到泡沫混凝土中,不考慮二者間的粘結滑移;采用tie將墻體與加載梁的接觸面進行約束,保證接觸面之間不發生脫離,使計算收斂;采用coupling將參考點的運動和加載面的運動進行耦合.模擬時將組合墻體底面完全固定;模擬全程采用位移控制,在加載梁的橫截面處施加沿加載梁軸線方向上的位移[6],進行往復循環加載.

3 有限元計算結果分析

3.1 泡沫混凝土損傷

模擬得到的泡沫混凝土受壓受拉損傷云圖如圖4～圖5所示.

(a) 軸壓比0.2(a) Axial compression ratio 0.2 (b) 軸壓比0.3(b) Axial compression ratio 0.3 (c) 軸壓比0.4(c) Axial compression ratio 0.4圖4 泡沫混凝土受壓損傷云圖Fig.4 Compression damage nephogram of foam concrete

(a) 軸壓比0.2(a) Axial compression ratio 0.2 (b) 軸壓比0.3(b) Axial compression ratio 0.3 (c) 軸壓比0.4(c) Axial compression ratio 0.4圖5 泡沫混凝土受拉損傷云圖Fig.5 Tension damage nephogram of foam concrete

由混凝土損傷云圖可以看出,受壓損傷主要集中在組合墻體墻角處,損傷最大達到0.834,隨著軸壓比的增大,組合墻體損傷區域向上擴展,損傷面積增大,1/2墻體以下損傷最為嚴重.組合墻體受拉損傷主要集中在墻高1/2區域附近,最大損傷達到0.91,組合墻體墻高1/2以上部分形成45°斜裂縫,墻角發生明顯的鼓曲現象,隨著軸壓比的增大,組合墻體出現豎向貫通裂縫.

3.2 型鋼骨架應力

型鋼骨架應力云圖如圖6所示.由型鋼骨架應力云圖可知,墻體中下部型鋼所受應力較上部大,橫向拉結條中間區域應力較兩側大.隨著軸壓比的增大,型鋼骨架受力區域向組合墻體上部擴展,受力面積增大.型鋼骨架應力最大處出現在組合墻體墻角,型鋼發生彎曲,結合混凝土損傷云圖和型鋼骨架應力云圖,判斷組合墻體發生彎剪破壞.

(a) 軸壓比0.2(a) Axial compression ratio 0.2 (b) 軸壓比0.3(b) Axial compression ratio 0.3 (c) 軸壓比0.4(c) Axial compression ratio 0.4圖6 型鋼骨架應力云圖Fig.6 Stress nephogram of steel skeleton

圖7 不同軸壓比試件的骨架曲線Fig.7 Skeleton curves of specimens with different axial compression ratios

3.3 荷載-位移曲線分析

對軸壓比分別為0.2,0.3和0.4的3個試件進行水平往復加載,得到的荷載-位移骨架曲線如圖7所示.加載初始階段,各試件的荷載-位移骨架曲線基本重合,表明在加載初始階段軸壓比對組合墻體幾乎沒有影響[7],但這階段很短,加載位移在8 mm以內.隨著加載位移的增大,軸壓比對試件承載能力的影響開始顯現,試件達到承載力峰值點之前,軸壓比越大,試件的承載力提升越高.達到承載力峰值后,軸壓比越大,荷載-位移骨架曲線下降段越陡,試件的變形能力顯著降低.

3.4 承載能力及變性能力分析

不同軸壓比試件的屈服荷載、屈服位移、峰值荷載、峰值位移、極限荷載和極限位移見表2.

表2 不同軸壓比試件的特征點參數Table 2 Characteristic point parameters of specimens with different axial compression ratios

通過對組合墻體不同軸壓比試件特征點參數的分析可知,隨著軸壓比增大,屈服荷載由261.52 kN增至269.96 kN,增加了3.2%;軸壓比由0.2到0.3,峰值荷載與極限荷載有所增大,與此同時,峰值位移和極限位移均在減小[8];由不同組合墻體的延性系數也可以發現,隨著軸壓比的增大,延性系數不斷減小,延性變差,結構構件向脆性發展.當軸壓比為0.2和0.3時,組合墻體承載力較高且延性系數大于3,說明此軸壓比下的輕鋼-泡沫混凝土組合墻體具有良好的承載力和較優異的變形能力.

當墻體軸壓比超過0.3達到0.4的情況下,各項指標呈反向發展,除屈服荷載外其余各向參數均減小.輕鋼-泡沫混凝土組合墻體主要受到豎向軸力、水平剪力以及底部彎矩作用,墻體底部兩側隨水平力的方向受拉應力和壓應力.當軸壓比處于某個限度的情況下,墻體底部的拉應力和軸向壓應力相互抵消,抑制了墻體的破壞,故而峰值荷載更大一些.而如果軸壓比超過了一定限度,軸向的壓應力就會大于墻體內部拉應力,導致其壓力同向疊加,使得墻體構件的損傷更為嚴重,導致墻體承載力更低.由此可見,軸壓比不是越大越好,也不是越小越好,要控制在一定的范圍,因此在實際工程中,要重視對軸壓比的合理選擇.

4 結論

采用有限元軟件ABAQUS,建立了不同軸壓比下的輕鋼 - 泡沫混凝土組合墻體抗震性能分析模型,得出結論如下:

(1) 軸壓比不超過0.3時,輕鋼-泡沫混凝土組合墻體具有良好的承載力和變形能力.

(2) 軸壓比對輕鋼-泡沫混凝土組合墻體的抗震性能有一定影響.當軸壓比在0.2至0.3的范圍內時,隨著軸壓比的增大,試件的承載能力提高,變形能力降低;軸壓比達到0.4時,各項指標向相反方向發展.

(3) 針對本文輕鋼-泡沫混凝土組合墻體合理軸壓比不應超過0.3,以保證其抗震性能,實際工程中要重視對軸壓比的合理選擇.