張永兵 盧丹豪 代柏樂

(廣西大學，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)范在進行填充墻框架結(jié)構(gòu)的相應抗震性能計算時,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)的自振周期進行相應的折減。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)外學者對填充墻對框架的影響進行了大量的試驗與深入的理論研究。尤其近幾年的地震災害更明顯地表明,填充墻框架結(jié)構(gòu)在設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)的影響機制還有待進一步的研究。

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。

本文運用OpenSees有限元軟件,對填充墻RC框架結(jié)構(gòu)在低周反復荷載作用下的水平力-位移滯回行為進行模擬,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)選取的可靠性與準確性,為填充墻RC框架結(jié)構(gòu)的設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)提出了相應的計算公式,詳見文獻[4]。

2.3 填充墻模型

根據(jù)國內(nèi)外學者的研究結(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,試件的詳細尺寸及材料參數(shù)見文獻[6]。三榀框架均進行位移控制的低周反復荷載加載試驗,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,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)賦予相應的單元截面,最后運行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,但是當試驗進行到退化階段后期,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,進而導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,也還留有殘余強度,正是這個原因,導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。