填充墻開洞情況對填充墻-鋼框架受力性能影響的研究

崔名相， 陳向榮, 周 劍， 劉中偉

西安建筑科技大學（710055）

填充墻—鋼框架結構是在建筑中廣泛使用的結構形式。國內外學者對填充墻—鋼框架結構的受力性能進行了較為廣泛的研究,但對于開洞填充墻—鋼框架結構的研究十分有限。

鋼框架結構抗側剛度較低,在多層或高層鋼結構建筑中通常采用合適的抗側力體系來滿足鋼框架的抗側力要求，填充墻是框架結構建筑中不可缺少的結構構件,在工程中應用十分廣泛。當前這類結構較為常見的設計方法是鋼框架承擔全部豎向和水平荷載。填充墻構件不作為結構的一部分參與工作[1]。然而填充墻除了起到外圍護墻、內隔墻及樓梯電梯間墻體作用外，從結構角度看，當框架受水平力作用時，墻體會參與共同抵抗水平力。

工程設計中，由于功能要求需開設門窗洞口、設置半高墻或底層不設置墻體。墻體平面外的剛度很大，墻體面積的減少降低了結構的承載力和剛度,對結構的抗震性能有很大影響。因此，對開洞填充墻—鋼框架結構不同開洞形式進行研究，不僅有較大的理論意義，而且還具有一定的工程應用價值。本文主要研究開門洞口位置的改變對結構受力性能的影響，通過結構分析軟件ANSYS對實體填充墻—鋼框架和開洞填充墻—鋼框架結構進行非線性分析和結構受力特性分析，為開洞填充墻—鋼框架結構的設計提供參考。

1 有限元模型

1.1 模型尺寸

表1 門洞位置設置表

填充墻—鋼框架結構為二層單跨結構[2]，層高1400，跨度為2400，其梁柱截面均為焊接H型截面，柱截面尺寸H×B×t1×t2為 150mm×150mm×7mm×10mm（翼緣厚為 7mm，腹板厚 10mm）,梁截面尺寸 H×B×t1×t2為 200mm×100mm×6 mm×8mm（翼緣厚為6mm，腹板厚8mm）。柱加勁肋厚度為7mm，位于與梁翼緣相對應的位置，柱頂蓋板厚度為15 mm。用多空磚砌體墻作為維護墻，其厚度為150mm。試件設計如表1，其中開洞結構的開洞率均為16.5%。

1.2ANSYS單元類型選取

根據結構的特點，用ANSYS程序[3]對結構進行模擬，鋼框架采用三維20結點的SOLID95單元,單元每個結點有3個自由度，填充墻采用8結點的SOLID65單元，單元每個結點有3個自由度。鋼框架與墻體之間的接觸單元則采用TARGET170和CONTA174，接觸面之間的摩擦系數取0.45。

鑒于單元劃分直接影響計算結果的準確性和計算速度，劃分網格時梁柱結點位置采用自由網格劃分[3]，其它部位采用映射網格劃分。

鋼材的彈性模量Es取1.7993MPa，應力—應變曲線采用多線性隨動強化模型，屈服強度為287MPa；砌體彈性模量3.756×103MPa,使用VonMises屈服準則,抗壓強度取4.19MPa。

1.3 試件加載設置

為了準確模擬實際受力情況,試件中均在柱端施加80kN的軸力,并以面力的方式施加到柱端的蓋板上端截面的所有結點上，在二層梁柱連接處施以Z方向上的約束，防止試件出現平面外失穩，鋼框架柱腳施以固端約束。為了模擬底層墻體真實的受力情況，施加約束時，將填充墻與鋼框架底部的所有節點的自由度限制為零，使整個截面為固支。另外對二層梁所對應的外側柱面所有結點進行X方向位移耦合，這時程序將自動產生一個主結點,外力以位移的方式施加于耦合端面的主結點上，施加循環位移荷載。如圖1所示。

2 試件的強度和剛度分析

2.1 系列試件骨架曲線分析

由于填充墻的開洞使得結構的承載能力下降，但位置的不同，影響程度是不一樣的。表2為MD系列試件的相關數據。

經比較，在循環荷載作用下，MD-1的承載力相對MD-2和MD-3要略大,由于洞口左偏或右偏造成墻體與鋼框架之間的粘結面減少，兩者之間的摩擦力也相應的減少，鋼框架對墻體的約束作用以及墻體對鋼框架的支撐作用也會減弱，使結構的承載能力降低。由于加載位置在左側，MD-2試件比MD-3的承載能力要高,這是因為墻體的承載能力主要是靠受壓對角線區域墻體的面積,而MD-3試件（洞口右偏）削弱了對角線區域墻體的面積,造成了MD-3試件承載能力偏低。盡管MD-2試件承載力偏高，但也是因為受壓區域面積的減少，使得結構位移很小時，結構就達到了極限狀態。

表2 MD系列試件相關數據

KJ試件和MD系列試件骨架曲線如圖1所示。

從圖1四個試件的的骨架曲線可以得出，MD試件與KJ試件相比,結構的承載力明顯下降,MD-1試件延性劣化不明顯,而MD-2試件和MD-3試件劣化明顯,MD-2試件和MD-3試件更容易發生脆性破壞。MD-2試件在正向加載時曲線變化趨勢與KJ試件幾乎重合，而反向加載時曲線變化趨勢與KJ試件相比差別很大。這正好與MD-3試件相反，MD-3試件在反向加載時曲線變化趨勢與KJ試件幾乎重合，而在正向加載時變化趨勢差別很大。這主要是因為墻體的受力部位集中在受壓對角區域，MD-2試件在正向加載時，對角區域面積削弱很小，而反向加載時，由于洞口的偏置，對角區域面積削弱的比較嚴重,造成了反向加載結構承載能力偏低。MD-1試件洞口位置正好位于受壓對角區域的中間，由于應力發展是從受壓角部區域逐漸向中間區域發展,中間區域相對受壓角部區域應力較小。在循環荷載作用下，就對角區域削弱而言，介于MD-2試件和MD-3試件之間，曲線變化趨勢恰好說明了這一點。

由圖1和以上分析可以得出，開門洞填充墻-鋼框架在循環加載作用下，結構的承載能力下降。而門洞位置的改變，對結構承載力的降低影響不大,但會對結構的延性造成不同程度的影響。洞口離側向荷載近時墻體其受力性能比洞口在相反邊的好。

2.2 試件割線剛度退化曲線分析

KJ試件和MD系列試件割線剛度退化曲線如圖2所示。

從圖2四個試件的割線剛度退化曲線可以得出,墻體和鋼框架的作用，可以增大結構的剛度，但由于墻體開洞造成了結構初始剛度的下降。隨著墻體的破壞，試件的割線剛度出現了嚴重的退化現象。墻體逐漸退出工作，試件的割線剛度也趨向平緩，MD-1試件在位移達到30mm后，和KJ的割線剛度退化趨勢趨向一致。

從圖2和以上分析可以得出,開洞填充墻—鋼框架在循環荷載作用下，割線剛度出現下降，而門洞位置對結構割線剛度的降低影響不大。

3 結論

綜合以上分析，可以得出如下結論。

1）由于墻體開洞使得結構的承載力和剛度都有所下降。

2）在循環荷載作用下，門洞位置的改變，門洞口的正中、左偏和右偏，三者的受力性能差別不大，正中的門洞口的承載力要略大些。

3）門洞口位置的改變對結構初始剛度以及剛度退化趨勢的影響不大。

4）在地震作用比較大時，洞口的左偏或是右偏，由于接觸面的減少,很容易造成墻體的傾倒。因此在實際的設計中，應盡量避免墻體偏置。

[1]GB50017-2003,鋼結構設計規范[S]

[2]劉肖凡,霍凱成,谷倩等.新型砌體復合填充墻鋼框架體系試驗研究及有限元分析[J].西安建筑科技大學學報,2006,38(5):634-638

[3]王新敏著.ANSYS工程結構數值分析[M].人民交通出版社