分析填充墻鋼框架結構的受力情況

摘 要：鋼結構的應用已經有一定的時間，技術上也越來越成熟。在填充墻鋼框架結構的應用中，缺少對抗側力構建的研究。我國在鋼結構設計方面缺少專門的規范研究，也沒有考慮到具體的砌體填充墻對鋼框架抗側力的貢獻。在實際的受力過程中，砌體填充墻與鋼框架之間存在一定的偶聯作用，所以與純鋼框架結構有所不同，研究其受力情況和承載能力對建筑工程施工來說具有一定的參考價值。

關鍵詞：填充墻；鋼框架；受力情況；

中圖分類號：TU 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2015）-03-00-01

一、三維非線性有限元受力情況分析

有限元思想是一種廣泛應用于計算機分析領域的現代計算分析方法。通過有限元思想的不斷擴展，在材料和建筑領域也有了更好的應用。在研究填充墻鋼框架結構受力情況時，只要將對象結構分解成有限單元，就可以利用有限元得到精確的實際結果。

在運用有限元分析填充墻鋼框架結構的受力情況時，選取有限元方程非常重要。目前國際標準中使用較多的有限元方程有SAPIV、ADINA、和ANSYS等，其中ANSYS作為主要的分析工具更加便捷，ANSYS程序具有以下特點：

（一）能夠應用于更多的結構分析，使用起來不需要過多的知識準備。

（二）ANSYS對于數據的處理效率較高，通過高效的算法能夠大大提高得到結論的準確性。

（三）在進行有限元分析的過程中，填充墻鋼框架結構具有較多的有限元類型，應用ANSYS能夠滿足更高的運算要求。

（四）前、后處理功能強大，對于分析前后的工作有很好的適應性。

有限元模擬分析在實際的應用中，首先要對材料的特性和有限元類型進行選擇，對于鋼材特性可以認為材質是均勻的，焊接外應力-應變曲線是相同的，不考慮處理工藝對剛才性能的影響，鋼材應當具有各向同性。利用ANSYS程序提供的多種模型，經典雙線性屈服準則，填充墻和鋼框架之間利用三維面-面 接觸單元進行分析，用剛性面來模擬目標面，用柔性面模擬接觸面，建立一個接觸單元的常信號。

ANSYS通過多種求解器建立有限元分析方程組，所得結果是節點的自由度，再從節點深入得到單元的解。采用直接消去求解器適應分析穩定性線性分析。ANSYS通過力、位移和兩者的關系，來判斷結果收斂性。一般情況應用力的收斂準則實現控制即可。循環負載則采用同步法進行求解，每一個負載一個文件，最終全部求解，每一步的過程寫入結果保證循環負載的全面分析和具體指標相應。

二、填充墻鋼框架有限元模型建立

（一）材料性能指標選擇。鋼梁、鋼柱和加勁肋都采用Q235剛才，單向拉伸具有明顯的屈服平臺，而在循環負載下沒有明顯的屈服平臺。在進行計算時，可以取極限荷載點與屈服點斜率來強化模量。

（二）填充墻材料指標選擇。基本模型可以選擇多孔磚，不使用粘土更方便堆砌和處理，工作效率比較高，而且多孔磚的結構使其具有良好的散熱性能，強度和承載能力都比較理想，密度較低提高了墻體的整體性。

（三）接觸的生成。接觸問題的建模要對模型中相互接觸的部分進行分析，結構中相互作用的地方對應于模型中的節點，如果是接觸面則對應于模型中的單元，有限單元模型就是通過對接觸單元來分析實際的接觸情況。填充墻和鋼框架之間依靠砂漿粘結，作用力會通過粘合傳遞，沒有特別的拉結裝置在模型中則可以利用面和面的接觸代替砂漿的粘結作用，借助摩擦力來模擬相應的粘結效應。

（四）負載位移曲線和滯回曲線。單一負載作用下，負載小于856kN時處于彈性階段，鋼框架承受負載到達856kN時位移17mm，并且墻體開始出現裂成。墻體屬于斷裂則無法繼續使用的材料，但是鋼框架結構的耦合作用使得墻體在發生斷裂后依舊能夠配合鋼框架提供一定的抗側力。當到達承載力極限1378kN時，位移高達47mm，負載繼續增加時鋼框架進入塑性階段，已經無法繼續提供抗側力，位移增加和承載能力開始下降。在循環負載作用下，滯回曲線呈現較為平滑的拱形，捏縮現比較明顯，在水平和垂直負載的共同作用下，填充墻變形出現了滑動位移，而且負載越大滑動位移就越明顯。

三、填充墻鋼框架結構受力情況總結

通過上述對填充鋼框架結構的受力情況的分析，我們可以得到以下幾條結論：

（一）填充墻鋼架結構在水平負載的作用下，砌體填充墻相當于斜壓支撐桿，填充墻和鋼框架結構相互耦合作用，協調負載帶來的形變，對于鋼結構的斜向水平位移進行支撐和約束，大大增強了鋼框架結構的整體穩定性和水平承載能力。

（二）從填充墻鋼框架結構的滯回曲線比較飽滿，鋼框架結構與多孔磚填充墻的結合，使得整體的耗能性能比較突出，在循環負載的作用下有更強的適用性。

（三）水平復雜是填充墻的裂縫主要是沿對角線展開的，而對角線以外的部分等效應力比較小，處在可以接收的水平范圍，這就說明填充墻鋼框架結構的斜向支撐能力非常強。

（四）地震橫波和縱波會首先破壞填充墻，而填充墻吸收了大量的地震波能力，整體結構的剛度大大下降，但作為主要受力結構的鋼框架結構仍然可以繼續支撐負載，在抗震建筑中很好的充當了第二道防線。

（五）結構滯回性能和承載能力還受到填充墻洞口大小的影響，尤其是底層填充墻的開動情況。隨著開洞規模的增加，整體結構的抗側力水平下降，從滯回曲線可以看出更加飽滿的趨勢，捏縮現象減弱，整體更具延展性，耗能性能也更接近純鋼框架結構。

（六）鋼框架結構的高度和寬度的比值越小，也就是框架的跨度增加，鋼框架結構的最大承載能力越來越高，延展性越來越低，滯回曲線趨于非飽滿狀態，捏縮現象也越來越明顯，鋼框架結構特點不明顯，抗震能力大大下降。

（七）不同的填充墻材料對整體結構的受力性能影響非常大，多孔磚墻體的承載力和剛度都比較大，相比之下粉煤灰砌塊磚則顯得略有不足，延展性和剛度也比較小。相應的，混凝土結構承載力和延展性都優于多孔磚墻體，但是明顯的剛度較低，所以在不同的使用情況下，選擇不同的填充墻體，配合鋼框架結構，才能達到最優良的結構性能。

四、總結

本文采用非線性有限元理論對填充墻鋼框架結構的受力情況進行了分析，利用ANSYS對單一負載和循環負載條件下的受力性能進行分析，通過滯回曲線對受力情況進行了全面的研究。填充墻鋼框架結構在受力情況下的形變，考慮到該結構其他因素對受力情況的影響，今后還將考慮更多自變量條件下的研究。