劉凱歌 賈穗子 樊垚江 姚文江 閆茂壯 耿昌賢

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

1 概述

近年來，國家大力推行低碳經(jīng)濟(jì)，提倡綠色、環(huán)保、節(jié)能建筑，全國范圍內(nèi)推廣建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化。在住建部十三五綱要中要求大力推行發(fā)展綠色低碳建造方式和裝配式建筑。因此，隨著社會(huì)的進(jìn)步，政府開始對農(nóng)村建筑發(fā)展進(jìn)行引導(dǎo)，綠色低碳裝配式建筑在我國農(nóng)村地區(qū)具有著十分廣泛的發(fā)展前景[1]。

我國是世界各國中地震災(zāi)害發(fā)生較為頻繁的國家，同時(shí)在地震易發(fā)區(qū)還具有較高的地震發(fā)生頻率的特點(diǎn)。其中農(nóng)村和城市相比，地震對農(nóng)房產(chǎn)生的震害影響更為嚴(yán)重。主要是由于農(nóng)村地區(qū)的建筑多為自建房，沒有相關(guān)政府部門監(jiān)管，沒有專業(yè)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)，無施工資質(zhì)，經(jīng)濟(jì)條件限制，并且農(nóng)民對抗震不夠關(guān)注，有關(guān)機(jī)構(gòu)也未對農(nóng)房進(jìn)行規(guī)范管理，我國大多村鎮(zhèn)建筑普遍存在著抗震性能不足的問題。因此，對農(nóng)村建筑的抗震性能提升十分必要，直接影響人民的安全?？梢?，研發(fā)適合農(nóng)村實(shí)用的新型抗震結(jié)構(gòu)體系，充分利用農(nóng)村資源優(yōu)勢，降低抗震成本，是真正解決農(nóng)房抗震問題的關(guān)鍵技術(shù)[2]。

2 適于綠色農(nóng)房的裝配式輕鋼組合墻結(jié)構(gòu)單元

本文以課題組研發(fā)的一種適于綠色農(nóng)房的裝配式輕鋼組合墻結(jié)構(gòu)單元為研究對象，基于前期的試驗(yàn)研究[3,4]，以理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究其構(gòu)件的抗震性能，驗(yàn)證構(gòu)件的可行性，并提出結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)建議。該組合結(jié)構(gòu)的輕鋼框架由鋼管再生混凝土柱梁通過加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)連接而成，輕墻為單排配筋再生混凝土薄墻板。

圖1為單元試件結(jié)構(gòu)圖。

3 有限元模型分析

本文采用非線性有限元分析軟件ABAQUS建立了裝配式輕鋼組合墻結(jié)構(gòu)單元的有限元模型，研究了在單調(diào)水平荷載加載下構(gòu)件受力階段結(jié)構(gòu)的損傷形態(tài)，并且給出了相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)建議。

3.1 有限元模型的創(chuàng)建

3.1.1 結(jié)構(gòu)部件模型的創(chuàng)建

根據(jù)試件的幾何尺寸，對結(jié)構(gòu)各部件進(jìn)行建模，主要包括：鋼管內(nèi)填充再生混凝土、邊框梁柱方鋼管、再生混凝土墻、鋼筋及網(wǎng)架、水平荷載加載頭及分配梁等。為了簡化模型，提高計(jì)算效率，模型中將帶加勁肋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)和柱腳與基礎(chǔ)鋼連接的高強(qiáng)螺栓省略，之后以綁定約束等效為剛性連接。采用分配梁是為了在模擬中對兩邊的鋼管混凝土柱均勻分配豎向荷載，并且避免了應(yīng)力集中。采用加載頭是為了避免水平荷載在加載位置產(chǎn)生應(yīng)力集中。邊框梁柱方鋼管、鋼管內(nèi)填充混凝土、墻板混凝土均采用C3D8R八節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬，此實(shí)體單元基于六面體線性減縮積分模式，縮減積分減少了單元中的積分點(diǎn)，與三維線性積分單元(C3D8)相比較，在彎曲荷載作用下可以避免發(fā)生剪切自鎖現(xiàn)象，提高了計(jì)算的速率。在剪切變形為主的模擬中，采用C3D8R單元比二階單元或一階不減縮積分單元的效率高，而且在網(wǎng)格扭曲變形時(shí)，合理細(xì)分網(wǎng)格可提高精度且影響不大。墻板內(nèi)鋼筋采用T3D2兩節(jié)點(diǎn)三維桁架單元，此單元的節(jié)點(diǎn)只有平動(dòng)自由度，僅承受拉壓荷載，可忽略橫向抗剪強(qiáng)度。鋼筋采用分離式方法建模，即每根鋼筋單獨(dú)建模，然后采用內(nèi)嵌形式將鋼筋融入到墻板中，因此不考慮鋼筋與墻板混凝土之間的粘結(jié)滑移。再生混凝土墻板內(nèi)鋼邊框采用S4R四節(jié)點(diǎn)通用目的殼單元，此實(shí)體單元基于減縮積分模式，允許有橫向剪切變形，通用殼單元考慮了有限的膜應(yīng)變和任意大的轉(zhuǎn)動(dòng)，適用于大應(yīng)變分析。

3.1.2 創(chuàng)建材料、截面屬性和定義裝配

根據(jù)鋼材和再生混凝土的本構(gòu)關(guān)系創(chuàng)建材料，分別創(chuàng)建混凝土和鋼材?；炷敛牧狭W(xué)特性中彈性設(shè)置為各向同性，輸入彈性模量和泊松比，塑性選擇混凝土損傷塑性模型，定義塑性特性、壓縮特性和拉伸特性，并定義混凝土壓縮損傷模型。鋼材中力學(xué)特性中彈性設(shè)置為各向同性，輸入彈性模量和泊松比，塑性定義屈服應(yīng)力—塑性應(yīng)變的關(guān)系。之后創(chuàng)建截面并給部件賦予截面屬性。

3.1.3 定義邊界約束條件

為了模擬試驗(yàn)中組合結(jié)構(gòu)所承受的水平荷載與豎向荷載，在模擬中通過設(shè)置兩個(gè)參考點(diǎn)RP1和RP2來施加豎向力和水平力。其中，施加豎向力的參考點(diǎn)RP1在剛體分配梁頂部中心位置上方，通過邊界條件保留上端方向自由度以保證施加軸向荷載，保證實(shí)驗(yàn)中豎向荷載施加點(diǎn)和方向保持不變。水平位移由大剛度加載端頭傳遞，以達(dá)到加載過程受力簡單明確。對于施加水平荷載的參考點(diǎn)RP2，通過耦合約束使參考點(diǎn)和加載斷頭具有相同的自由度，以提高模型分析收斂性。將模型底面定義為固結(jié)，在模型兩鋼管混凝土柱底部設(shè)置一個(gè)固定約束ENCASTRE，以模擬構(gòu)件與基礎(chǔ)的固定。

3.1.4 網(wǎng)格劃分

ABAQUS提供了三種網(wǎng)格劃分方式：結(jié)構(gòu)優(yōu)化網(wǎng)格(Structured)、掃掠網(wǎng)格(Sweep)、自由網(wǎng)格(Free)。本文模型構(gòu)造簡單，為了提高精度，實(shí)體全部采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，殼單元采用四面體—主體單元自由網(wǎng)格劃分。本試驗(yàn)有限元模型墻體網(wǎng)格劃分種子密度為50 mm。

3.2 有限元模擬結(jié)果

通過對1榀裝配式輕鋼組合墻結(jié)構(gòu)單元，以及組成單元的1榀空框架和1片單排配筋再生混凝土墻體進(jìn)行有限元建模，得出結(jié)構(gòu)破壞時(shí)混凝土損傷云圖及墻板達(dá)到極限荷載時(shí)鋼筋應(yīng)力云圖和方鋼管應(yīng)力云圖。圖2分別為試驗(yàn)中構(gòu)件破壞，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)(即位移角達(dá)到約1/25)時(shí)，再生混凝土、鋼管框架、鋼筋網(wǎng)架的應(yīng)力損傷云圖。由圖2可得鋼管框架柱梁連接節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力較大，部分鋼筋應(yīng)力較大。

圖3為墻板厚度為40 mm的試件與墻板厚度為60 mm的試件在位移角為3/500,5/500,1/25時(shí)的混凝土損傷應(yīng)力云圖。由圖3對比可知，再生混凝土墻板厚度增加了50%，其承載力增加，墻體工作性能提高；60 mm厚墻板的耗能更加充分。

4 裝配式輕鋼框架輕墻組合結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)建議

基于有限元模擬與理論分析并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用實(shí)例，裝配式輕鋼組合墻結(jié)構(gòu)單元充分利用其截面尺寸小，自重輕等特點(diǎn)在建筑抗震能力方面較普通建筑更有優(yōu)勢。依據(jù)該結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，給出裝配式輕鋼組合墻結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)方面的建議。

1)裝配式輕鋼組合墻結(jié)構(gòu)在不同墻體厚度以及不同鋼筋間距且滿足建筑規(guī)范要求的條件下，均體現(xiàn)出良好的抗震性能，與一般結(jié)構(gòu)相比更加安全可靠。該結(jié)構(gòu)可推廣用于中低層綠色農(nóng)房建筑，滿足建筑的抗震設(shè)防要求，并且具有建筑施工速度快，施工周期較短的特點(diǎn)，適用于當(dāng)?shù)厥┕l件惡劣的項(xiàng)目。

2)該結(jié)構(gòu)可采用綠色環(huán)保材料如再生混凝土代替普通混凝土，既滿足了建筑抗震設(shè)計(jì)的要求，符合我國建筑發(fā)展的趨勢。對多余或作廢的建筑材料可回收利用，保證資源利用最大化，又體現(xiàn)了環(huán)保節(jié)約的觀念。

3)由有限元模擬分析得出的結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的混凝土損傷應(yīng)力云圖分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力明顯大于其他部位，該處輕鋼邊框受力變形較大。因此，該結(jié)構(gòu)工業(yè)化建造過程中應(yīng)考慮加強(qiáng)梁柱節(jié)點(diǎn)處的連接強(qiáng)度及穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的安全性可靠性。

4)建議采用參數(shù)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，針對裝配式輕鋼組合墻結(jié)構(gòu)在不同參數(shù)下的力學(xué)性能進(jìn)行分析。