填充墻平面內損傷對平面外承載力影響模擬研究

曾 威

(廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530000)

0 引言

我國處在兩大地震帶之間，是地震活動最嚴重的國家之一。RC框架填充墻結構其空間布置靈活，使用方便，在我國應用十分廣泛。多次震害調查表明，填充墻平面外的破壞是RC框架填充墻結構破壞的主要形式之一[1]，對人員安全和社會財產造成了極大的損失。因此，對填充墻在地震作用下的破壞行為進行研究是十分必要的。

研究學者通常將對填充墻的研究分為平面內損傷[2]和平面外損傷[3]。然而由于地震的多向性，填充墻受到的更多的是來自平面內外共同作用。在平面內-外地震荷載組合作用時，在平面內填充墻體與框架產生縫隙，墻體產生的剪切裂縫將填充墻分成數個不同的部分，降低了墻體的整體性，進一步削弱了填充墻面外的承載力。因此研究填充墻在平面內外荷載共同作用下的平面外承載力具有重要的工程意義。

框架填充墻結構，其力學行為復雜，材料繁復。依托試驗數據建立可靠的有限元模型研究填充墻的面外破壞行為是非常重要的研究方法。基于前人的研究不足，為此，本文依托試驗數據，使用有限元軟件LS-DYNA建立高精度有限元模型分析了填充墻面內損傷對RC框架填充墻結構面外抗震性能的影響。

1 有限元模型的建立與驗證

1.1 建模過程

混凝土、砌體材料和加載端鋼板均采用Solid164實體單元進行模擬，鋼筋采用Beam161梁單元進行模擬。混凝土材料采用連續帽蓋*MAT_CSCM_CONCRETE模型，該本構模型可以較好的預測擬靜態加載下混凝土材料的實際反應和損傷模式[4-5]。砌體材料采用連續蓋帽全參數模型*MAT_CSCM。鋼筋采用材料*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。鋼支撐與鋼板采用線彈性材料模型*MAT_ELASTIC。

本文選擇簡化微觀模型來模擬砌體填充墻。簡化微觀模型簡化了砂漿層建模，將砂漿在厚度方向上劃分成兩部分，介于相鄰兩個砌塊組合在一起模擬，組合砌塊之間定義*CONTACT_AUTOMATIC_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE_TIEBREAK關鍵字來模擬接觸面。該關鍵字可以通過定義接觸面的抗剪與抗拉強度來判定接觸面是否失效，可以反映砌體墻中的裂縫開展和滑移。

1.2 試驗介紹

Richard Angle[6]對1/2縮尺的單層單跨RC框架填充墻試件進行了平面內-外荷載下的擬靜力抗震試驗。試驗裝置如圖1所示，平面內荷載由位移控制系統提供，將千斤頂放置于框架柱頂端施加2 411.5 kPa均布豎向荷載；平面外均布荷載使用單調加載，通過氣囊提供。

選取先進行平面內加載后使用氣囊進行平面外均布加載的試件2B進行有限元建模驗證，構件信息如表1所示。試件框架梁、柱以及各構件詳細配筋和所用鋼筋實測屈服強度、混凝土抗壓強度等材料參數詳見文獻[6]。

表1 試件相關參數 mm

1.3 有限元建模

鋼筋混凝框架使用耦合法建模法，采用關鍵字CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID定義耦合，使其協同工作。試件2B有限元模型如圖2所示。為了模擬真實的試驗情況，在兩側框架柱頂鋼板施加了恒荷載，并且在試件底部施加了全約束，在兩側延伸梁鋼板處施加位移控制，并且限制了梁鋼板在填充墻平面外的自由度，并使用節點加載方式將均布荷載垂直加載在墻面上。

為了盡量取得精確的計算結果，網格劃分應該盡可能小，但這樣會導致計算時間的增加。權衡計算資源和模型可靠度，網格尺寸選用25 mm。

1.4 有限元驗證

圖3對比了試件骨架曲線與數值模型模擬荷載-位移曲線。圖4對比了試件和數值模型的破壞模式。表2為數據特征值的對比與誤差統計。本文取荷載達到10%承載力時對應的割線剛度為初始剛度。

表2 曲線特征值對比

由圖3,表2可知，有限元模型的荷載-位移曲線和特征值都與實驗結果比較接近，特征值預測最大誤差為5.0%。由圖4可以看出，有限元模型的裂紋發展和試驗的結果非常相近，表現出了明顯雙面受彎破壞的特征。由上所述，有限元模型采用的數值模擬方法可以有效地分析填充墻在平面內-外耦合荷載下的平面外破壞行為。

2 平面內損傷對平面外承載力影響

圖5為模型平面內的荷載-位移曲線，結合文獻[7]，將填充墻平面內破壞分為四個階段：①彈性階段；②墻框分離階段；③墻體斜裂縫擴展階段；④流動變形階段。分析位于4個面內破壞程度對填充墻面外承載力的影響，不同面內損傷對應的平面外荷載-位移曲線如圖6所示，曲線特征值如表3所示。隨著面內損傷的增大，填充墻平面外抗震性能顯著下降，具體表現為從填充墻未損傷狀態至填充墻平面內位移角到達1.0%，填充墻初始剛度降低86.7%，峰值荷載降低63.0%，延性系數降低39.5%，峰值承載力對應位移增加了195.5%。

表3 曲線特征值對比

圖7為剛度衰減曲線，可見填充墻平面外的剛度有一個先增后減的過程，這是由于產生位移后的拱承載機制能提高了墻體的承載力和穩定性[8]。此外，除了未受損狀態下(位移角為0.00%)的模型，其余模型的初始剛度均和峰值剛度差別較大。這是因為填充墻平面外初始剛度依賴于填充墻抗拉強度，在面內損傷的情況下，墻框分離和填充墻體的裂縫均削弱了填充墻整體的抗拉強度。

圖8為損傷系數曲線，損傷系數為對應面內損傷的平面外承載力與未受損狀態下填充墻平面外承載力的比值。由圖可知，平面外承載力的降低在①，②階段下降較為平緩，從③階段和④階段初期下降呈現出先陡峭后平緩的下降趨勢，說明墻體斜裂縫的拓展對填充墻平面外承載力的影響更加顯著，這是由于裂縫將墻體分成幾個受力模塊，降低了墻體的整體性，加快了墻體進入平面外失穩狀態。

圖9為不同平面內位移角數值模型對應的平面外破壞模式。整體來看，破壞表現出了明顯的雙向受彎破壞特征，裂縫集中在墻體中部指向填充墻四角。隨著平面內位移增大，墻體裂縫逐漸增多，這是由于填充墻平面內破壞同樣產生斜裂縫，在平面外荷載作用下，墻體沿著裂縫迅速破壞進入失穩狀態。在位移角到達1.0%時填充墻左右上角出現了明顯的砌體破壞，加重了墻體和框架分離。

3 結論

本文通過數值模擬可以得到以下結論：

1)拱承載機制顯著的提高了填充墻的面外抗震性能；填充墻的抗拉強度顯著影響面外承載力的初始剛度。

2)平面內破壞降低了填充墻的平面外抗震性能，使得填充墻初始剛度，峰值荷載和延性系數分別降低了86.7%,

63.0%和39.5%。

3)墻體裂縫拓展階段填充墻平面外承載力下降最快，平面內損傷造成的墻體斜裂縫是平面外承載力下降的主要原因。