框支墻梁墻體抗剪性能研究及其有限元分析

曹 慧,白世和

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西 西安 710055)

在多層民用建筑中,如商店-住宅、飯店 -旅館等建筑。當(dāng)采用混合結(jié)構(gòu)時(shí),常在底層的鋼筋混凝土樓面梁(稱托梁)上砌筑磚墻,它們共同承受墻體自重及由屋蓋、樓蓋等傳來的荷載。這種由支承墻體的鋼筋混凝土托梁及其以上高度范圍內(nèi)的墻體所組成的組合構(gòu)件,稱為墻梁。根據(jù)支承情況,有簡支墻梁、框支墻梁和連續(xù)墻梁等。由鋼筋混凝土框架梁和其上部計(jì)算高度范圍內(nèi)砌體組成的組合結(jié)構(gòu)稱為框支墻梁。

《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50003-2001)第七章中墻梁設(shè)計(jì)計(jì)算方法,特別是墻體抗剪部分的公式建立不太完善,并且沒能說明支座最大剪力應(yīng)當(dāng)如何取值,僅按簡支梁破壞時(shí)的極限承載力得出支座剪力取值的最大范圍,這顯然不適用于框支和連續(xù)墻梁。且規(guī)范中未考慮翼墻和構(gòu)造柱的實(shí)際影響,只在全荷載的情況下做了大概的分析。本文將集中荷載位置、集中荷載在總荷載中的比重統(tǒng)統(tǒng)化為均布荷載進(jìn)行墻體抗剪驗(yàn)算,考慮翼墻構(gòu)造柱的雙重作用,通過有限元試算,分析框支墻梁內(nèi)部的應(yīng)力變化,找出每個(gè)構(gòu)件最不利剪力,探討取消墻體抗剪、局壓的可能性,盡量提出構(gòu)造措施,通過電算結(jié)果為將來對剪力公式的修訂提供參考。

1 正交設(shè)計(jì)以及有限元分析模型

1.1 材料和構(gòu)件尺寸

考慮到用 ANSYS分析的整體性,適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整,未嚴(yán)格按照(GB 5003-2001)規(guī)范設(shè)計(jì)。構(gòu)件中混凝土強(qiáng)度采用C30(Ec=30000 N/mm2,γ=0.2),MU 10燒結(jié)多孔磚以及 M 5混和砂漿砌筑墻體(Et=3024N/mm2,γ=0.15),受力鋼筋采用 HRB335級(Es=200000 N/mm2,γ=0.3mm)。框架柱截面 500mm×500mm,托梁截面寬度250mm,磚墻寬度 250 mm,墻體構(gòu)造柱和圈梁截面尺寸分別為 250 mm×250mm,250mm×150mm。底層框架柱總高 4000mm。通過初步分析,墻梁墻體的抗剪主要受以下幾個(gè)因素影響,托梁高跨比(hb/l)、墻體高跨比(hw/l)、翼墻寬度 By,荷載作用于二層墻頂。正交設(shè)計(jì)不考慮各個(gè)因素間相互作用,兩跨等跨(6000 mm)正交設(shè)計(jì)見表 1。

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1.2 應(yīng)用 ANSYS軟件進(jìn)行三維有限元分析

用 Solid65單元模擬混凝土梁柱和砌體墻,不考慮材料界面間的滑移。了解框支墻梁在豎向荷載作用下中間支座翼墻卸荷規(guī)律,應(yīng)用積分法得出控制截面內(nèi)力,模型如圖 1。

1.2.1 簡化計(jì)算

盡可能與實(shí)際結(jié)構(gòu)情況相符合,考慮實(shí)際情況的復(fù)雜性,作以下簡化。

(1)框支墻梁由砌體和混凝土框架柱兩種材料組成(鋼筋影響忽略)。

(2)砌體和混凝土視為勻質(zhì)材料。

(3)不考慮滑移,整體結(jié)構(gòu)按彈性計(jì)算。(4)結(jié)構(gòu)底端為固定端支座。

1.2.2 ANSYS中定義材料、選取單元及網(wǎng)格劃分

單元選擇:砌體和混凝土采用分離式模型。砌體采用三維 8節(jié)點(diǎn)體單元Solid65模擬。使用于混凝土、巖石等抗拉能力的非均勻材料單元。單元由 8個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)在空間坐標(biāo)上有 3個(gè)自由度,分別沿三個(gè)正交方向發(fā)生變形。

單元?jiǎng)澐?翼墻部分長度方向 25mm,寬度方向 25mm,高度方向 25mm。柱子和托梁選用 50mm×50mm×50mm,墻體視構(gòu)件的不同按具體情況劃分。

2 結(jié)果分析和數(shù)據(jù)處理

通過有限元分析,在豎向荷載作用下,墻梁中墻體剪應(yīng)力沿墻體由上至下逐漸增大,墻體頂部剪應(yīng)力接近于零,靠近托梁處的墻體剪應(yīng)力最大;跨中附近剪應(yīng)力較小,支座附近的剪應(yīng)力較大,沿墻高度范圍內(nèi)剪應(yīng)力分布規(guī)律相似。豎向荷載通過墻體的內(nèi)拱作用將部分豎向荷載傳到支座,產(chǎn)生對稱的、方向向外的剪應(yīng)力,左右兩側(cè)剪應(yīng)力方向相反。墻體中豎向壓應(yīng)力在支座附近最大,跨中附近較小。每跨墻體的應(yīng)力向兩側(cè)支座聚集,顯示了明顯的內(nèi)拱作用,數(shù)值分析表明,對于兩跨框支墻梁兩邊支座的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力比中間支座的要大,說明在整體結(jié)構(gòu)中形成大拱傳力到兩邊支座,使中間支座應(yīng)力減小。墻體的受力性能如圖 2、圖 3[5]。

圖1 框支墻梁(帶翼墻)的ANSYS模型

圖2 豎向荷載作用下墻體各界面壓應(yīng)力分布

圖3 豎向荷載作用下墻體各截面剪應(yīng)力分布

現(xiàn)以無洞口墻梁按正交表(計(jì)算跨度取等跨 6000mm,Q2=30 kN/m)計(jì)算,得出墻梁和墻體的支座剪力如表 2。

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表2中最后一列為按照(GB 50003-2001)規(guī)范中墻梁墻體受剪承載力公式計(jì)算。

式中:V2為在荷載設(shè)計(jì)值 Q2作用下墻梁支座邊剪力的最大值;ξ1為翼墻或構(gòu)造柱影響系數(shù),對單層墻梁取 1.0,對多層墻梁,當(dāng) bf/h=3時(shí)取1.3,當(dāng) bf/h=7或設(shè)置構(gòu)造柱時(shí)取 1.5,當(dāng) 3

有限元模擬結(jié)果(表 2)可以看到,墻體在圈梁頂端加均布荷載后,8個(gè)構(gòu)件的最大剪力很相近,且小于規(guī)范公式要求的最大剪力值,滿足承載力要求,且兩跨墻梁在有構(gòu)造柱情況下,墻梁支座處剪力大部分由構(gòu)造柱承擔(dān),隨著翼墻寬度的增加,翼墻卸荷作用表現(xiàn)得越來越明顯,尤其在中間支座處表現(xiàn)突出,中間支座處墻體承受的剪力越來越小,翼墻承擔(dān)的比例越來越多。

3 結(jié)論

(1)在兩跨框支墻梁中,不僅單跨中分別形成拱的作用,整體結(jié)構(gòu)中也形成了一個(gè)大的拱的作用,這個(gè)大拱緩和了中間支座處墻體的承載能力,使邊支座處墻體剪力增大。

(2)通過有限元試算可知,規(guī)范要求剪力曲線完全包絡(luò)有限元最不利剪力線,因此建議規(guī)范取消墻體抗剪承載力驗(yàn)算。

(3)由于規(guī)范極限承載值高于有限元計(jì)算值,且偏差較大,說明目前規(guī)范公式的計(jì)算結(jié)果其安全儲備還較大,容易造成經(jīng)濟(jì)的浪費(fèi),建議提出必要的構(gòu)造措施。

[1]GB 50003-2001砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

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