雷 晴 甘元初 王勁松 梁 鵬 楊 鑫,2

(1.南華大學(xué)，湖南 衡陽(yáng) 421000; 2.南華大學(xué)長(zhǎng)三角(諸暨)研究院，浙江 紹興 312000; 3.三亞市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，海南 三亞 572000)

1 概述

鋼筋混凝土(RC)框架結(jié)構(gòu)是世界范圍內(nèi)最廣泛使用的結(jié)構(gòu)形式之一，其具有結(jié)構(gòu)布置靈活、施工便捷等特點(diǎn)。蒸壓加氣混凝土(ALC)板具有自重輕、保溫隔熱性能好、隔音效果強(qiáng)、不易燃燒、安裝簡(jiǎn)捷等優(yōu)點(diǎn)，在圍護(hù)墻體中的應(yīng)用日益增多[1]。2008年汶川8.0級(jí)地震、2010年玉樹(shù)7.1級(jí)地震中，大多數(shù)框架結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出良好的抗震性能，但填充墻破壞嚴(yán)重[2],嚴(yán)重危害了人民的生命安全，造成財(cái)產(chǎn)損失。因此，有必要研究填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制。

目前，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)填充墻RC框架抗震性能進(jìn)行了許多研究。翟長(zhǎng)海等[3]設(shè)計(jì)制作了4塊足尺砌體填充墻試件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，并通過(guò)數(shù)值模擬研究不同參數(shù)的影響；ALC板作為一種新型建筑材料，目前學(xué)界對(duì)其抗震性能的研究較少，一些學(xué)者針對(duì)使用鋼框架[4]或鋼管混凝土框架[5]的ALC板填充墻框架研究其抗震性能。

本文使用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)ALC板填充墻RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分離式數(shù)值建模，通過(guò)對(duì)比文獻(xiàn)[6]中的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模型的適用性與參數(shù)選取的準(zhǔn)確性，為ALC板填充墻的推廣應(yīng)用提供參考意見(jiàn)。

2 有限元建模方法

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介

2017年，英國(guó)貝爾法斯特女王大學(xué)Cai Gaochuang[6]通過(guò)擬靜力試驗(yàn)研究了三種填充墻RC框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)為單層單跨。本文對(duì)其中兩個(gè)：無(wú)填充墻空框架和填充ALC板框架的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值模擬，其框架的詳細(xì)尺寸和配筋如圖1所示。ALC板填充墻模型采用A5.0級(jí)的ALC板材。試件上部通過(guò)兩個(gè)耦合點(diǎn)分別在柱端施加570 kN的均布荷載,水平荷載則通過(guò)梁端的耦合點(diǎn)設(shè)置。全程采用位移控制,取水平向左為正向加載，每級(jí)荷載加載一遍，水平荷載降低到85%或位移角大于1/30時(shí)停止加載。

2.2 模型參數(shù)設(shè)定

模型中的框架梁柱、ALC板填充墻、地梁均采用節(jié)點(diǎn)線性六面體減縮積分單元(C3D8R)建模。模型內(nèi)所有鋼筋采用兩結(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元(T3D2)建模?；炷量蚣芨鞑考g采用Tie綁定連接，混凝土框架與填充墻之間的接觸用三向彈簧模擬，鋼筋籠通過(guò)內(nèi)嵌區(qū)域(Embedded Region)與RC框架連接，這種連接方式忽略了鋼筋與混凝土之間的滑移作用，但可以極大的簡(jiǎn)化分析過(guò)程。

2.3 材料本構(gòu)關(guān)系

鋼筋采用雙折線模型，第一段折線鋼筋處于彈性階段，此時(shí)折線斜率為楊氏模型Es。第二段折線鋼筋處于強(qiáng)化階段，此時(shí)折線斜率為強(qiáng)化楊氏模量E，取E=0.01Es。如圖2所示，其中鋼筋在A點(diǎn)處發(fā)生屈服，在B點(diǎn)處達(dá)到受拉極限。鋼筋各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1 鋼筋材料參數(shù)

考慮到本試驗(yàn)需模擬混凝土在往復(fù)荷載作用下的受力情況，故選用ABAQUS中的塑性損傷模型，混凝土本構(gòu)曲線參照GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[7]拉壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線及相關(guān)參數(shù)，如圖3所示。

ALC板材料的本構(gòu)模型受壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線如下：

其中，X=ε/εpr;Y=σ/fpr；ε,σ分別為ALC板材料的應(yīng)變及應(yīng)力；fpr為ALC板材料抗壓強(qiáng)度，取5.0 MPa;εpr為峰值壓應(yīng)變，取0.003。

ALC板受拉本構(gòu)參考普通混凝土受拉本構(gòu)曲線，并認(rèn)為材料的抗拉強(qiáng)度約為其抗壓強(qiáng)度的1/10。

3 模擬與試驗(yàn)對(duì)比分析

3.1 峰值荷載

根據(jù)上述建模方法對(duì)鋼筋混凝土空框架及未開(kāi)洞填充ALC板RC框架進(jìn)行建模，兩榀框架的有限元分析對(duì)比結(jié)果如表2所示。由表2可知，兩榀框架正負(fù)向峰值荷載的有限元模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差，主要原因有以下幾個(gè)方面:1)在計(jì)算ALC板材料本構(gòu)時(shí)部分使用了混凝土本構(gòu)計(jì)算公式，造成一定誤差；2)有限元模型未考慮墻板間的拼縫，將復(fù)合墻視為一個(gè)整體；3)試件制作過(guò)程中施工質(zhì)量存在客觀差異，而數(shù)值模型的建立無(wú)法模擬這種隨機(jī)性，兩者有一定偏差。

表2 水平承載力誤差對(duì)比

3.2 滯回曲線

文獻(xiàn)[6]中給出了未開(kāi)洞ALC板填充墻RC框架和空框架的滯回曲線，本文通過(guò)數(shù)值模擬得到了兩個(gè)模型的滯回曲線，對(duì)比如圖4所示。由圖4可知，實(shí)驗(yàn)曲線中部存在明顯的“捏攏效應(yīng)”，而模擬曲線在中部位置較“飽滿”。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為，滯回曲線的“捏攏”主要表現(xiàn)為構(gòu)件的荷載—位移曲線在卸載階段剛度迅速降低，其根本原因是混凝土受拉區(qū)的開(kāi)裂以及鋼筋的滑移。由于有限元模型未考慮混凝土與鋼筋的滑移，僅用嵌入命令簡(jiǎn)化處理，所以模擬曲線的中部位置相對(duì)“飽滿”。

綜上，通過(guò)對(duì)比兩榀框架試驗(yàn)和模擬的峰值荷載、滯回曲線，其數(shù)據(jù)誤差均在10%以?xún)?nèi)，屈服點(diǎn)也基本相似，計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和適用性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文使用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)ALC板填充墻RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分離式數(shù)值建模，得到的峰值荷載及滯回曲線與試驗(yàn)的結(jié)果較為吻合，本文采用的材料本構(gòu)關(guān)系得到驗(yàn)證，同時(shí)也驗(yàn)證了分析時(shí)選取的模型的合理性與適用性，為后續(xù)研究ALC板填充墻RC框架的抗震性能影響提供參考意見(jiàn)。