張永兵, 覃智陽(yáng), 李 勇

(1 廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004；2 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004；3 廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004)

0 引言

鋼筋混凝土(RC)框架結(jié)構(gòu)是一種應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)體系,為了滿足不同的空間需求,填充墻成為RC框架結(jié)構(gòu)中不可缺少的構(gòu)件。眾多研究表明[1-3],剛性連接填充墻抗震性能較差,震害破壞嚴(yán)重,易造成巨大生命財(cái)產(chǎn)損失?！镀鲶w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50003—2011)[4](簡(jiǎn)稱《砌體規(guī)范》)指出填充墻與框架的連接方式除了剛性連接外,還可以使用柔性連接的方式。近年來(lái)一些學(xué)者如張永兵等[5-8]的試驗(yàn)研究表明,使用柔性連接方式的填充墻RC框架結(jié)構(gòu)其水平承載力介于空框架和剛性連接填充墻RC框架結(jié)構(gòu)之間,但是強(qiáng)度和剛度較剛性連接填充墻退化緩慢,在地震作用下其變形能力更強(qiáng),延性更好。

由于受到經(jīng)濟(jì)、尺寸、器材的影響,單純的試驗(yàn)研究有一定局限性,配合運(yùn)用有限元分析手段能進(jìn)一步深入揭示其現(xiàn)象,因此有限元分析是一種重要的研究手段。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者利用有限元分析方法研究了填充墻RC框架結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理。在剛性連接填充墻方面,MEHRABI、KOUTROMANOS、ZHAI等[9-11]采用有限元分析方法對(duì)普通填充墻RC框架結(jié)構(gòu)受到單調(diào)靜力或水平往復(fù)荷載作用下進(jìn)行了非線性研究,詳細(xì)分析了剛性連接填充墻的受力機(jī)理。在柔性連接填充墻方面,周曉潔、金昊貴等[12-13]以聚苯板(EPS)作為柔性連接材料進(jìn)行了柔性連接填充墻框架結(jié)構(gòu)的有限元分析,郭陽(yáng)照等[14]以橡膠為粘彈性層進(jìn)行了填充墻框架結(jié)構(gòu)的有限元分析。以上研究均通過(guò)彈簧單元或平面應(yīng)力單元實(shí)現(xiàn)了對(duì)柔性材料的模擬。不少學(xué)者通過(guò)有限元分析手段對(duì)普通填充墻框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析,但是對(duì)柔性連接方式的結(jié)構(gòu)有限元分析研究鮮見(jiàn)報(bào)道,并且建模方式不盡相同,特別是以橡膠為柔性材料的分析仍處于起步階段。

本文基于柔性連接填充墻RC框架結(jié)構(gòu)低周反復(fù)荷載試驗(yàn),通過(guò)DIANA有限元分析平臺(tái)建立填充墻RC框架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化分離式有限元模型,對(duì)7榀1/2縮尺的填充墻RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析,驗(yàn)證其準(zhǔn)確性和合理性并對(duì)比分析不同柔性連接材料、砌體材料以及砂漿強(qiáng)度對(duì)柔性連接填充墻RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,為填充墻RC框架的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ透艣r

本課題組先前開(kāi)展了7榀1/2縮尺的填充墻RC框架結(jié)構(gòu)水平低周往復(fù)荷載試驗(yàn)[8],其中1榀為空框架試件,2榀為剛性連接填充墻試件,4榀為柔性連接填充墻試件。填充墻選用了燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚和燒結(jié)頁(yè)巖空心磚兩種砌塊材料,砂漿采用了M5和M2兩種等級(jí)。柔性連接材料選用高彈性橡膠和高阻尼橡膠,并填充在30mm的預(yù)留縫中,試件設(shè)計(jì)情況見(jiàn)表1。試件的主體框架混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35,實(shí)測(cè)28d混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為36.1MPa,燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚和燒結(jié)頁(yè)巖空心磚的抗壓強(qiáng)度平均值分別為25.2MPa和17.4MPa。高阻尼橡膠和高彈性橡膠的壓縮模量分別為4.9MPa和2.2MPa。梁柱縱筋為HRB400級(jí),箍筋為HRB300級(jí),鋼筋力學(xué)性能見(jiàn)表2,空框架試件尺寸及配筋見(jiàn)圖1。

圖1 框架尺寸及配筋/mm

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 鋼筋力學(xué)性能

2 非線性有限元模型

2.1 砌體建模方法

目前對(duì)砌體填充墻的有限元建模方法通常有精細(xì)化分離式模型、簡(jiǎn)化分離式模型、整體模型三種,如圖2所示。精細(xì)化分離式建模計(jì)算量大,需要的參數(shù)多且不易收斂,而整體建模又無(wú)法反映墻體內(nèi)部磚塊和砂漿的非線性行為,因此本文采用簡(jiǎn)化分離式建模,即把磚塊與周邊1/2厚度的砂漿組合成一個(gè)砌塊,該組合砌塊的力學(xué)性能由磚塊的材料特性決定,砂漿的開(kāi)裂、壓碎以及剪切滑移由兩個(gè)組合砌塊之間定義的界面來(lái)模擬,其力學(xué)性能由砂漿的材性決定。

圖2 三種砌體有限元建模方法

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系

2.2.1 混凝土材料

采用基于全應(yīng)變彌散裂縫模型的Maekawa-Fukuura模型來(lái)模擬混凝土的非線性性能,混凝土受拉性能選用脆性曲線,如圖3所示。該模型需要確定的參數(shù)主要有混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度f(wàn)c,混凝土圓柱體抗拉強(qiáng)度f(wàn)t,抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)?。裂縫角度閾值θ和剪切保留系數(shù)β分別根據(jù)DIANA用戶手冊(cè)建議值取0.3927rad和0.01[15],依據(jù)混凝土材性試驗(yàn)數(shù)據(jù)各參數(shù)取值見(jiàn)表3。

圖3 混凝土本構(gòu)曲線

表3 混凝土材料參數(shù)

2.2.2 鋼筋材料

采用基于彈塑性各向同性的Menegotto-Pinto滯回本構(gòu)模型模擬鋼筋的非線性行為。該模型可用于嵌入式鋼筋并且可以較好地模擬鋼筋的滯回性能,主要需求參數(shù)有鋼筋屈服強(qiáng)度f(wàn)y、彈性模量Es、初始切線斜率比b、初始曲率參數(shù)R0。依據(jù)材性試驗(yàn)數(shù)據(jù)不同直徑D的鋼筋參數(shù)取值見(jiàn)表4。

表4 鋼筋材料參數(shù)

2.2.3 砌塊材料

(1)

圖4 砌體本構(gòu)曲線

表5 組合砌塊材料參數(shù)

式中:fm為砌體抗壓強(qiáng)度;Gfc為受壓斷裂能。

2.2.4 砂漿材料

砂漿通過(guò)組合砌塊之間面-面接觸的界面單元來(lái)模擬,使用Coulom摩擦模擬組合砌塊之間的滑移以及打開(kāi)間隙模型來(lái)模擬砂漿的受拉開(kāi)裂,間隙模型即當(dāng)垂直于界面的拉力超過(guò)一定值將會(huì)產(chǎn)生間隙并且不可恢復(fù)。對(duì)于界面單元的使用難點(diǎn)在于缺乏試驗(yàn)參數(shù),極少有試驗(yàn)?zāi)苤苯訙y(cè)試出所需的參數(shù),因此該模型法向剛度Kn和剪切剛度Ks可通過(guò)式(2)和式(3)計(jì)算,凝聚力c可以由式(4)得出,摩擦角φ一般在20°～50°之間,膨脹角ψ取0,ft為砂漿抗拉強(qiáng)度[16],詳細(xì)參數(shù)取值見(jiàn)表6、7。

(2)

表6 水平灰縫界面材料參數(shù)

表7 豎直灰縫界面材料參數(shù)

(3)

c=0.106 5fc+0.531

(4)

式中:Eu為砌塊楊氏模量;Em為砂漿楊氏模量;Gu為砌塊剪切模量;Gm為砂漿剪切模量;tm為砂漿厚度;fc為砌體抗壓強(qiáng)度。

2.2.5 橡膠材料

由于橡膠具有不可壓縮性,因此選用基于Mooney-Rivlin模型的橡膠本構(gòu)模型,通過(guò)材性試驗(yàn)和參考相關(guān)文獻(xiàn)[17],參數(shù)取值見(jiàn)表8。

表8 橡膠材料參數(shù)

2.3 模型建立

參照試驗(yàn)使用DIANA有限元分析軟件建立三維簡(jiǎn)化分離式有限元模型,其中混凝土和砌體填充墻使用8節(jié)點(diǎn)的HX24L三維實(shí)體單元,鋼筋使用嵌入式鋼筋單元,組合砌塊之間的界面以及砌體填充墻與框架之間的界面均采用三維平面四邊形Q24IF界面單元,橡膠采用8節(jié)點(diǎn)的HX25L橡膠實(shí)體單元模擬,有限元模型見(jiàn)圖5。

圖5 填充墻RC框架結(jié)構(gòu)有限元模型

加載制度如圖6所示,在兩個(gè)框架柱頂施加恒定的210kN豎向荷載,水平往復(fù)荷載通過(guò)位移控制。試驗(yàn)中施加的210kN軸向力在有限元模型中換算為均布荷載3.36N/mm2,并且根據(jù)試驗(yàn)中的邊界條件分別固定有限元模型中地梁的6個(gè)自由度。有限元模型荷載模式及邊界條件示意圖如圖7所示。

圖6 加載制度

圖7 有限元模型荷載模式及邊界條件

3 有限元分析結(jié)果

3.1 滯回曲線及骨架曲線對(duì)比

通過(guò)DIANA計(jì)算得出了7個(gè)試件的有限元分析結(jié)果,并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,滯回曲線與骨架曲線見(jiàn)圖8、9。從空框架BF的滯回曲線及骨架曲線可以看出,試驗(yàn)曲線與模擬曲線總體上趨勢(shì)吻合,滯回環(huán)飽滿,表現(xiàn)出良好的耗能能力。

圖8 各試件與模型的滯回曲線對(duì)比

圖9 各試件與模型的骨架曲線對(duì)比

對(duì)比剛性連接填充墻RC框架結(jié)構(gòu)RFP和RFH,可以看出前期強(qiáng)度和剛度與試驗(yàn)基本一致,后期強(qiáng)度和剛度比試驗(yàn)稍高,但整體趨勢(shì)與試驗(yàn)基本一致。

從柔性連接填充墻RC框架結(jié)構(gòu)DRFFP、DRFFH、RRFFP和DRFFP2的滯回曲線以及骨架曲線可以看出,模擬的滯回曲線的前期強(qiáng)度和剛度較試驗(yàn)的滯回曲線稍大,但各階段的峰值點(diǎn)基本對(duì)應(yīng),強(qiáng)度和剛度退化趨勢(shì)一致,總體趨勢(shì)基本吻合。

綜上可知,柔性連接填充墻RC框架結(jié)構(gòu)的承載能力介于剛性連接填充墻RC框架結(jié)構(gòu)與空框架之間,但柔性連接的滯回環(huán)比剛性連接飽滿,顯示出柔性連接的耗能能力比剛性連接強(qiáng),表明橡膠的加入改變了墻-框之間的傳力機(jī)制,體現(xiàn)出橡膠作為緩沖材料的優(yōu)良性能。

3.2 損傷情況對(duì)比

空框架BF的應(yīng)變和裂紋發(fā)展情況如圖10所示,可以從試驗(yàn)實(shí)際情況中看到兩邊框架柱的柱端都出現(xiàn)了與水平方向呈45°或135°的斜裂縫,梁端保護(hù)層局部脫落。從有限元分析結(jié)果中可以看到,梁柱節(jié)點(diǎn)和柱端均出現(xiàn)了較大的應(yīng)變以及較多的裂縫,其中梁端應(yīng)變最大,很好地還原了實(shí)際情況中保護(hù)層脫落的現(xiàn)象,與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。

圖11為RFP的損傷情況,由于墻體與框架柱頂推作用強(qiáng)烈,導(dǎo)致局部磚塊壓碎剝落,砂漿層出現(xiàn)滑移裂縫,在墻體左下角和右下角均出現(xiàn)明顯的“X”形裂縫,裂紋云圖和應(yīng)變?cè)茍D與試驗(yàn)現(xiàn)象基本一致。

RFH使用的是空洞率更大的燒結(jié)頁(yè)巖空心磚,強(qiáng)度較燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚低。從圖12可以看到RFH的墻體破壞情況比RFP嚴(yán)重,但框架損傷較輕。有限元分析模型較好地還原了填充墻左右兩邊局部位置出現(xiàn)應(yīng)變較大的現(xiàn)象,與試驗(yàn)中出現(xiàn)局部砌塊剝落的情況較為一致。

圖12 RFH損傷情況對(duì)比

從圖13可以看到,DRFFP整體結(jié)構(gòu)損傷程度較輕,僅墻體出現(xiàn)輕微水平裂縫以及角部磚塊的輕微壓碎。模擬分析結(jié)果較好地還原了填充墻右上角的局部剝落以及裂紋多集中于梁端和柱端的現(xiàn)象。從試驗(yàn)和有限元分析結(jié)果來(lái)看,框架均無(wú)明顯破壞,說(shuō)明橡膠作為柔性連接材料能較好地耗散能量,減弱了填充墻與框架的相互作用,提高了整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。

圖13 DRFFP損傷情況對(duì)比

由圖14可以看到,DRFFH中填充墻也出現(xiàn)了角部壓碎的現(xiàn)象,破壞程度與DRFFP差別不大,梁端保護(hù)層輕微脫落,結(jié)構(gòu)整體破壞較輕。分析結(jié)果較好地反映出角部應(yīng)變過(guò)大以及梁柱節(jié)點(diǎn)裂紋發(fā)展的情形,填充墻中部面板未見(jiàn)明顯應(yīng)變,整體損傷輕微。

圖14 DRFFH損傷情況對(duì)比

RRFFP采用的是高彈性橡膠材料,由圖15可以看到,試件框架梁左端出現(xiàn)了塑性鉸,破壞程度比采用高阻尼橡膠材料的DRFFP嚴(yán)重一些,主要原因是橡膠的壓縮模量不同對(duì)墻-框之間的削弱作用有一定的差別,模擬結(jié)果可見(jiàn)填充墻角部應(yīng)變較大,梁端裂紋嚴(yán)重,與試驗(yàn)較為一致。

圖15 RRFFP損傷情況對(duì)比

由圖16可見(jiàn),DRFFP2由于使用的是M2等級(jí)的弱砂漿,因此填充墻砂漿層出現(xiàn)了較多的水平滑移裂縫,填充墻無(wú)壓潰剝落現(xiàn)象,損傷程度比較均勻,沒(méi)有明顯局部應(yīng)變較大的部位。

圖16 DRFFP2損傷情況對(duì)比

綜上,從有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)損傷破壞對(duì)比可見(jiàn),剛性連接填充墻的墻體破壞較為嚴(yán)重,裂縫發(fā)展迅速,涉及范圍廣,往往整塊墻都有不同程度的損傷,并且框架損傷大。柔性連接填充墻則多為角部破壞,其余部位墻體破壞較輕,砂漿滑移裂縫較少,整體結(jié)構(gòu)輕微損傷,表明橡膠材料的加入改變了填充墻與框架的傳力機(jī)制和破壞模式,提高了填充墻和框架之間的協(xié)同作用,減輕了結(jié)構(gòu)的破壞。計(jì)算結(jié)果很好地體現(xiàn)出剛性連接和柔性連接填充墻RC框架結(jié)構(gòu)之間不同的破壞情況,表明本文所建立的三維實(shí)體單元簡(jiǎn)化分離式填充墻RC框架結(jié)構(gòu)有限元模型能很好地模擬出填充墻框架結(jié)構(gòu)的損傷破壞,與試驗(yàn)結(jié)果還原度較高。

4 填充墻參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

在前文有限元分析模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,沿用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證正確的有限元建模方法,使用相同的材料本構(gòu)關(guān)系模型,通過(guò)變化不同的柔性連接材料、砌塊材料、砂漿強(qiáng)度等級(jí)等參數(shù),分析不同變化參數(shù)對(duì)填充墻RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

4.1 柔性連接材料的影響

不同類型的柔性連接材料會(huì)使結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生較大的差異,在模型DRFFP和RRFFP的基礎(chǔ)上,建立一個(gè)柔性連接材料為聚苯板(EPS)的模型ERFFP進(jìn)一步對(duì)比不同柔性連接材料對(duì)RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。EPS的本構(gòu)關(guān)系如式(5)、(6)所示[18]。

受拉段:

σ=16.1ε

(5)

受壓段:

(6)

式中σ和ε分別為應(yīng)力、應(yīng)變。

從圖17(a)可以看到,DRFFP、RRFFP、ERFFP三個(gè)模型在前期的趨勢(shì)比較接近,但是層間位移角為1/75(Δ=18.7mm)時(shí)是一個(gè)分水嶺,在這之后三個(gè)模型差異較大,其中RRFFP水平承載力持續(xù)升高,在負(fù)向時(shí)達(dá)到最高的372kN,DRFFP在正向時(shí)水平承載力緩慢提升至最高的332kN,ERFFP則在正向位移角為1/100(Δ=14mm)時(shí)達(dá)到最高水平承載力273kN,隨后便平穩(wěn)下降。

圖17 不同柔性連接材料對(duì)比曲線

分析剛度退化曲線圖17(b)可以看到,三個(gè)柔性連接模型中DRFFP的剛度最高,RRFFP次之,ERFFP最低。采用橡膠為柔性連接材料的DRFFP和RRFFP剛度退化趨勢(shì)整體比較平緩,并且兩條曲線吻合程度較高,表明高阻尼和高彈性兩種橡膠之間對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度貢獻(xiàn)區(qū)別不大。ERFFP模型由于聚苯板(EPS)不具有橡膠的超彈性質(zhì),受力后產(chǎn)生塑性應(yīng)變,使得墻-框之間留下空隙,導(dǎo)致其抗側(cè)剛度較低,退化趨勢(shì)較快。

通過(guò)對(duì)三種不同柔性材料的分析可見(jiàn),高阻尼和高彈性橡膠表現(xiàn)出良好的抗震性能,其中高阻尼橡膠對(duì)結(jié)構(gòu)的水平承載力削減更多,抗側(cè)剛度削減更少,而高彈性橡膠則正好相反,所以這兩種材料各有千秋。聚苯板(EPS)由于本身的材料性質(zhì)原因,其強(qiáng)度和剛度都要比橡膠差,無(wú)法持續(xù)有效地消耗地震輸入的能量,因此整體性能不如橡膠材料。

雖然三個(gè)模型使用了不同的柔性連接材料,但是因?yàn)樘畛鋲Φ拇嬖谑沟媚Ｐ偷乃匠休d力和剛度都要比空框架高,使用柔性連接后的結(jié)構(gòu)仍然具有可觀的水平承載力和抗側(cè)剛度。

4.2 砌塊材料的影響

4.2.1 柔性連接下不同砌塊材料的影響

為研究不同砌塊材料對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,在柔性連接燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚填充墻RC框架DRFFP模型和柔性連接燒結(jié)頁(yè)巖空心磚填充墻RC框架DRFFH模型的基礎(chǔ)上,額外建立了三個(gè)柔性連接模型:粉煤灰空心砌塊填充墻RC框架結(jié)構(gòu)模型(DRFFF)、陶?；炷量招钠鰤K填充墻RC框架結(jié)構(gòu)模型(DRFFC)、加氣混凝土砌塊填充墻RC框架結(jié)構(gòu)模型(DRFFA)。模型中填充墻的厚度均為115mm,砂漿強(qiáng)度為M5,砌塊材性見(jiàn)文獻(xiàn)[12,19,20],設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表9。骨架和剛度退化曲線如圖18所示。

圖18 柔性連接下不同砌塊對(duì)比曲線

表9 砌體材料參數(shù)

從圖18可知,在相同條件下燒結(jié)頁(yè)巖磚模型DRFFP和DRFFH水平承載力最高,分別達(dá)319kN和329kN。粉煤灰空心砌塊DRFFF、陶?；炷量招钠鰤KDRFFC以及加氣混凝土砌塊DRFFA最大水平承載力分別為289kN、283kN和273kN,空框架BF水平承載力為194kN。由于燒結(jié)頁(yè)巖磚的強(qiáng)度較高,因此使用燒結(jié)頁(yè)巖磚模型的水平承載力明顯比其他三個(gè)模型高。

相對(duì)于空框架而言,使用了柔性連接的填充墻模型由于填充墻的存在其水平承載力仍然高于空框架。燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚DRFFP和燒結(jié)頁(yè)巖空心磚DRFFH模型水平承載力比空框架BF模型分別提高了64.4%和69.6%,粉煤灰空心砌塊DRFFF、陶?；炷量招钠鰤KDRFFC和加氣混凝土砌塊DRFFA模型的水平承載力分別比空框架BF提高了49%、46%、41%。從剛度退化曲線可以看到五個(gè)柔性連接填充墻模型的剛度退化趨勢(shì)十分相近,并且整體剛度均比空框架高。

4.2.2 剛性連接下不同砌塊材料的影響

為了對(duì)比與柔性連接的差別,分別將上述五種不同砌塊材料的柔性連接模型改為剛性連接方式,計(jì)算結(jié)果如圖19所示。燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚模型RFP和燒結(jié)頁(yè)巖空心磚模型RFH的水平承載力分別比空框架模型BF提高了143%和117%。粉煤灰空心磚模型RFF、陶粒混凝土空心砌塊模型RFC和加氣混凝土砌塊模型RFA分別比空框架BF提高了101.5%、101%、87%。

圖19 剛性連接下不同砌塊對(duì)比曲線

表10和表11分別列出了結(jié)構(gòu)和墻體的剛度、水平承載力數(shù)據(jù),定量分析結(jié)構(gòu)使用了柔性連接后墻體受力性能的削弱程度。從表10、11可以看出,無(wú)論何種砌塊,填充墻使用柔性連接方式后的結(jié)構(gòu)水平承載力都要比空框架高出不少,并且仍然能給予結(jié)構(gòu)充足的抗側(cè)剛度。柔性連接下粉煤灰空心砌塊、陶粒混凝土空心砌塊、加氣混凝土砌塊三種不同材料之間的墻體水平承載力以及初始剛度差別不大,表明柔性材料的加入很大程度上削弱了強(qiáng)度相近的不同砌塊材料之間對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響程度。

表10 剛性連接模型、柔性連接模型剛度對(duì)比

表11 剛性連接模型、柔性連接模型水平承載力對(duì)比

由剛性和柔性連接方式的對(duì)比可知,以高阻尼橡膠為柔性連接方式下的燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚、燒結(jié)頁(yè)巖空心磚、加氣混凝土砌塊、陶?；炷量招钠鰤K和粉煤灰空心磚模型的墻體水平承載力分別比剛性連接方式下降低了50.4%、40.6%、53.2%、54.8%、51.6%,初始剛度分別降低了59.5%、54.9%、61.6%、61.4%、69%。以高阻尼橡膠為柔性連接材料的方式平均削弱了墻體50.1%的水平承載力和61.3%的剛度。不同砌塊材料的柔性連接模型均達(dá)到1/25位移角(Δ=56mm)時(shí)承載力才下降至峰值承載力的85%,顯然比剛性連接模型變形能力更強(qiáng),抗震性能更好。

綜上分析,當(dāng)填充墻的砌塊材料強(qiáng)度較高時(shí),建議采用橡膠為柔性連接材料來(lái)減緩填充墻與框架間的相互作用,既能保證有足夠的水平承載力和抗側(cè)剛度也能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的變形能力,提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4.3 砂漿強(qiáng)度等級(jí)的影響

砌體沿砂漿灰縫剪切、壓碎、開(kāi)裂是較為常見(jiàn)的破壞形式,在砂漿等級(jí)為M2的DRFFP2模型和砂漿等級(jí)為M5的DRFFP模型的基礎(chǔ)上,建立了M7.5砂漿等級(jí)的DRFFP(7.5)和M10砂漿等級(jí)的DRFFP(10)模型,進(jìn)一步對(duì)比柔性連接方式下墻體采用不同砂漿強(qiáng)度時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,計(jì)算分析得到的骨架和剛度退化曲線見(jiàn)圖20。

圖20 柔性連接下不同砂漿強(qiáng)度對(duì)比曲線

由圖20可見(jiàn),使用M10砂漿等級(jí)的DRFFP(10)模型峰值承載力最高,遠(yuǎn)大于M2弱砂漿模型DRFFP2,略高于DRFFP和DRFFP(7.5)模型。砂漿等級(jí)為M5、M7.5和M10三個(gè)模型的水平承載力和剛度都比較接近,而M2弱砂漿模型則與上述三個(gè)模型差別較大。在低周反復(fù)荷載作用下,M2弱砂漿模型沿砂漿層發(fā)生剪切滑移破壞,砌體相互摩擦消耗了能量,削弱了試件的水平承載力,卻提高了結(jié)構(gòu)的變形能力,使得M2弱砂漿模型的位移角達(dá)到了1/20,并且與空框架BF相比仍然有較為可觀的水平承載力和抗側(cè)剛度總體而言,在柔性連接方式下M5、M7.5、M10強(qiáng)度等級(jí)的砂漿對(duì)結(jié)構(gòu)水平承載力和抗側(cè)剛度貢獻(xiàn)無(wú)較大差別,只有明顯較弱的砂漿才會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能有顯著影響。

5 結(jié)論

(1)建立了三維實(shí)體單元簡(jiǎn)化分離式模型對(duì)剛性和柔性連接填充墻RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性有限元分析,對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)該模型能比較準(zhǔn)確地反映出填充墻和框架之間的相互作用,較為精確地預(yù)測(cè)了剛性連接和柔性連接填充墻RC框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向承載力和抗側(cè)剛度,并且也較好地還原了填充墻的開(kāi)裂損傷和破壞過(guò)程。

(2)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),空框架受力性能良好,具有較好的耗能能力;填充墻的加入極大地提高了結(jié)構(gòu)的水平承載力和抗側(cè)剛度,但由于框架與填充墻之間的強(qiáng)烈頂推作用導(dǎo)致墻體破壞嚴(yán)重,使得剛性連接填充墻框架結(jié)構(gòu)過(guò)早破壞失效;橡膠作為新型柔性連接材料削弱了填充墻與框架之間的頂推作用,改變了填充墻的破壞模式,減緩并減輕了結(jié)構(gòu)的破壞程度,提高了結(jié)構(gòu)的耗能和變形能力,抗震性能優(yōu)異;高彈性和高阻尼橡膠對(duì)結(jié)構(gòu)水平承載力和抗側(cè)剛度貢獻(xiàn)各有特點(diǎn),均表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗震性能,而聚苯板(EPS)作為柔性連接材料其抗震性能要比橡膠差。

(3)剛性連接方式下不同種類的砌塊材料對(duì)結(jié)構(gòu)的水平承載力和抗側(cè)剛度貢獻(xiàn)明顯不同。當(dāng)采取柔性連接特別是以高阻尼橡膠為填充材料時(shí),橡膠的存在減弱了不同砌塊材料之間的差異。因此建議在砌塊材料較強(qiáng)時(shí)采用橡膠為柔性連接材料以減弱墻-框相互作用,提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

(4)砂漿強(qiáng)度等級(jí)越高,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度越高,但是柔性連接下相鄰砂漿強(qiáng)度等級(jí)的提升對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能影響的程度并不大。在保證墻體穩(wěn)定性的前提下,適當(dāng)降低砂漿強(qiáng)度能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形能力,同時(shí)又保有可觀的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。