曾 威

(廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530000)

0 引言

我國(guó)處在兩大地震帶之間，是地震活動(dòng)最嚴(yán)重的國(guó)家之一。RC框架填充墻結(jié)構(gòu)其空間布置靈活，使用方便，在我國(guó)應(yīng)用十分廣泛。多次震害調(diào)查表明，填充墻平面外的破壞是RC框架填充墻結(jié)構(gòu)破壞的主要形式之一[1]，對(duì)人員安全和社會(huì)財(cái)產(chǎn)造成了極大的損失。因此，對(duì)填充墻在地震作用下的破壞行為進(jìn)行研究是十分必要的。

研究學(xué)者通常將對(duì)填充墻的研究分為平面內(nèi)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(lái)自平面內(nèi)外共同作用。在平面內(nèi)-外地震荷載組合作用時(shí)，在平面內(nèi)填充墻體與框架產(chǎn)生縫隙，墻體產(chǎn)生的剪切裂縫將填充墻分成數(shù)個(gè)不同的部分，降低了墻體的整體性，進(jìn)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(nèi)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(jié)構(gòu)，其力學(xué)行為復(fù)雜，材料繁復(fù)。依托試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(yàn)數(shù)據(jù)，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(nèi)損傷對(duì)RC框架填充墻結(jié)構(gòu)面外抗震性能的影響。

1 有限元模型的建立與驗(yàn)證

1.1 建模過(guò)程

混凝土、砌體材料和加載端鋼板均采用Solid164實(shí)體單元進(jìn)行模擬，鋼筋采用Beam161梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬?；炷敛牧喜捎眠B續(xù)帽蓋*MAT_CSCM_CONCRETE模型，該本構(gòu)模型可以較好的預(yù)測(cè)擬靜態(tài)加載下混凝土材料的實(shí)際反應(yīng)和損傷模式[4-5]。砌體材料采用連續(xù)蓋帽全參數(shù)模型*MAT_CSCM。鋼筋采用材料*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。鋼支撐與鋼板采用線(xiàn)彈性材料模型*MAT_ELASTIC。

本文選擇簡(jiǎn)化微觀模型來(lái)模擬砌體填充墻。簡(jiǎn)化微觀模型簡(jiǎn)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(gè)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(guān)鍵字來(lái)模擬接觸面。該關(guān)鍵字可以通過(guò)定義接觸面的抗剪與抗拉強(qiáng)度來(lái)判定接觸面是否失效，可以反映砌體墻中的裂縫開(kāi)展和滑移。

1.2 試驗(yàn)介紹

Richard Angle[6]對(duì)1/2縮尺的單層單跨RC框架填充墻試件進(jìn)行了平面內(nèi)-外荷載下的擬靜力抗震試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖1所示，平面內(nèi)荷載由位移控制系統(tǒng)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(diào)加載，通過(guò)氣囊提供。

選取先進(jìn)行平面內(nèi)加載后使用氣囊進(jìn)行平面外均布加載的試件2B進(jìn)行有限元建模驗(yàn)證，構(gòu)件信息如表1所示。試件框架梁、柱以及各構(gòu)件詳細(xì)配筋和所用鋼筋實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度、混凝土抗壓強(qiáng)度等材料參數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

表1 試件相關(guān)參數(shù) 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(guān)鍵字CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID定義耦合，使其協(xié)同工作。試件2B有限元模型如圖2所示。為了模擬真實(shí)的試驗(yàn)情況，在兩側(cè)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(cè)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(jié)點(diǎn)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(jì)算結(jié)果，網(wǎng)格劃分應(yīng)該盡可能小，但這樣會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的增加。權(quán)衡計(jì)算資源和模型可靠度，網(wǎng)格尺寸選用25 mm。

1.4 有限元驗(yàn)證

圖3對(duì)比了試件骨架曲線(xiàn)與數(shù)值模型模擬荷載-位移曲線(xiàn)。圖4對(duì)比了試件和數(shù)值模型的破壞模式。表2為數(shù)據(jù)特征值的對(duì)比與誤差統(tǒng)計(jì)。本文取荷載達(dá)到10%承載力時(shí)對(duì)應(yīng)的割線(xiàn)剛度為初始剛度。

表2 曲線(xiàn)特征值對(duì)比

由圖3,表2可知，有限元模型的荷載-位移曲線(xiàn)和特征值都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近，特征值預(yù)測(cè)最大誤差為5.0%。由圖4可以看出，有限元模型的裂紋發(fā)展和試驗(yàn)的結(jié)果非常相近，表現(xiàn)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(shù)值模擬方法可以有效地分析填充墻在平面內(nèi)-外耦合荷載下的平面外破壞行為。

2 平面內(nèi)損傷對(duì)平面外承載力影響

圖5為模型平面內(nèi)的荷載-位移曲線(xiàn)，結(jié)合文獻(xiàn)[7]，將填充墻平面內(nèi)破壞分為四個(gè)階段：①?gòu)椥噪A段；②墻框分離階段；③墻體斜裂縫擴(kuò)展階段；④流動(dòng)變形階段。分析位于4個(gè)面內(nèi)破壞程度對(duì)填充墻面外承載力的影響，不同面內(nèi)損傷對(duì)應(yīng)的平面外荷載-位移曲線(xiàn)如圖6所示，曲線(xiàn)特征值如表3所示。隨著面內(nèi)損傷的增大，填充墻平面外抗震性能顯著下降，具體表現(xiàn)為從填充墻未損傷狀態(tài)至填充墻平面內(nèi)位移角到達(dá)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(shù)降低39.5%，峰值承載力對(duì)應(yīng)位移增加了195.5%。

表3 曲線(xiàn)特征值對(duì)比

圖7為剛度衰減曲線(xiàn)，可見(jiàn)填充墻平面外的剛度有一個(gè)先增后減的過(guò)程，這是由于產(chǎn)生位移后的拱承載機(jī)制能提高了墻體的承載力和穩(wěn)定性[8]。此外，除了未受損狀態(tài)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?yàn)樘畛鋲ζ矫嫱獬跏紕偠纫蕾?lài)于填充墻抗拉強(qiáng)度，在面內(nèi)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(qiáng)度。

圖8為損傷系數(shù)曲線(xiàn)，損傷系數(shù)為對(duì)應(yīng)面內(nèi)損傷的平面外承載力與未受損狀態(tài)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(xiàn)出先陡峭后平緩的下降趨勢(shì)，說(shuō)明墻體斜裂縫的拓展對(duì)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(gè)受力模塊，降低了墻體的整體性，加快了墻體進(jìn)入平面外失穩(wěn)狀態(tài)。

圖9為不同平面內(nèi)位移角數(shù)值模型對(duì)應(yīng)的平面外破壞模式。整體來(lái)看，破壞表現(xiàn)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(nèi)位移增大，墻體裂縫逐漸增多，這是由于填充墻平面內(nèi)破壞同樣產(chǎn)生斜裂縫，在平面外荷載作用下，墻體沿著裂縫迅速破壞進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)。在位移角到達(dá)1.0%時(shí)填充墻左右上角出現(xiàn)了明顯的砌體破壞，加重了墻體和框架分離。

3 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬可以得到以下結(jié)論：

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

2)平面內(nèi)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(shù)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(nèi)損傷造成的墻體斜裂縫是平面外承載力下降的主要原因。