裝配式輕質(zhì)組合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的有限元分析★

陳 曦 賈穗子

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

我國(guó)的地震發(fā)生頻率較高，是世界各國(guó)中震害較嚴(yán)重的國(guó)家之一。其中農(nóng)村和城市相比，地震對(duì)農(nóng)房產(chǎn)生的震害影響更為嚴(yán)重。主要是由于農(nóng)村地區(qū)的建筑多為自建房，農(nóng)民對(duì)抗震不夠關(guān)注，可見(jiàn),對(duì)農(nóng)村建筑的抗震性能提升十分必要，直接影響人民的安全，近些年來(lái)，國(guó)家大力推行低碳經(jīng)濟(jì)，提倡綠色、環(huán)保、節(jié)能建筑，全國(guó)范圍內(nèi)推廣建筑工業(yè)化和住宅工業(yè)化，并且在國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的十三五綱要中鼓勵(lì)對(duì)低碳建造方式和裝配式建筑進(jìn)行大力發(fā)展[1-5]。因此，隨著社會(huì)的進(jìn)步，政府開(kāi)始對(duì)農(nóng)村建筑發(fā)展進(jìn)行引導(dǎo)，綠色低碳裝配式建筑在我國(guó)農(nóng)村的廣大地區(qū)具有非常良好的發(fā)展前景。

1 裝配式輕鋼框架—輕墻板組合結(jié)構(gòu)

針對(duì)我國(guó)大多農(nóng)村建筑普遍有著抗震性能不足的現(xiàn)狀，課題組提出了一種適用于低層住宅的裝配式輕鋼框架—輕墻板組合結(jié)構(gòu)。該組合結(jié)構(gòu)的輕鋼框架為鋼管再生混凝土柱、梁，并通過(guò)加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)連接，輕墻采用單排配筋的再生混凝土輕墻板。選取該裝配式組合結(jié)構(gòu)低周往復(fù)荷載試驗(yàn)中1榀組合標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)試件LFLS-60-1，其中墻板厚60 mm，鋼筋網(wǎng)間距100 mm。基于Abaques進(jìn)行有限元模型的建立[6]。組合試件的具體尺寸，制作過(guò)程、材料力學(xué)性能試驗(yàn)參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

2 有限元模型建立

本試驗(yàn)采用混凝土損傷塑性模型，并根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，方鋼管內(nèi)混凝土采用蔡建在Mander[8]模型基礎(chǔ)上提出的方形鋼管約束下核心混凝土本構(gòu)關(guān)系；為綜合考慮內(nèi)置鋼筋網(wǎng)間距以及墻厚對(duì)混凝土所受約束的影響，將鋼筋網(wǎng)近似等效為箍筋，采用Mander本構(gòu)模型；受拉區(qū)混凝土采用清華大學(xué)過(guò)鎮(zhèn)海[9]提出的混凝土單軸受拉本構(gòu)模型。鋼材本構(gòu)模型采用經(jīng)典兩折線彈塑性強(qiáng)化模型，屈服前曲線為完全彈性，屈服后存在強(qiáng)化段曲線為斜直線。

根據(jù)試件的幾何尺寸，對(duì)結(jié)構(gòu)各部件進(jìn)行建模，主要包括：鋼管內(nèi)填充再生混凝土、邊框梁柱方鋼管、再生混凝土墻、鋼筋及網(wǎng)架、水平荷載加載頭及分配梁等。為了簡(jiǎn)化模型，提高計(jì)算效率和分析收斂性，模型中將帶加勁肋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)和柱腳與基礎(chǔ)鋼連接的高強(qiáng)螺栓省略，之后以綁定約束等效為剛性連接。邊框梁柱方鋼管、鋼管內(nèi)填充混凝土、墻板混凝土均采用C3D8R八節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬，墻板內(nèi)鋼筋采用T3D2兩節(jié)點(diǎn)三維桁架單元。鋼筋采用分離式方法建模，再生混凝土墻板內(nèi)鋼邊框采用S4R四節(jié)點(diǎn)通用的殼單元。

模擬中，認(rèn)為各個(gè)焊接部位為剛接，即擁有統(tǒng)一的自由度。因此，構(gòu)件連接部分：方鋼管框架梁柱接觸、鋼管框架柱與基礎(chǔ)接觸、墻板與輕型鋼管框架梁柱接觸、鋼管再生混凝土柱與分配梁接觸、鋼管再生混凝土梁與加載頭接觸均定義約束為綁定約束(Tie)。

為了模擬試驗(yàn)中組合結(jié)構(gòu)所承受的水平荷載與豎向荷載，在模擬中通過(guò)設(shè)置兩個(gè)參考點(diǎn)RP1和RP2來(lái)施加豎向力和水平力。其中，施加豎向力的參考點(diǎn)RP1在剛體分配梁頂部中心位置上方，通過(guò)邊界條件保留上端方向自由度以保證施加軸向荷載，使試驗(yàn)中豎向荷載施加點(diǎn)和方向保持不變。水平位移由大剛度加載端頭傳遞，以達(dá)到加載過(guò)程受力簡(jiǎn)單明確。對(duì)于施加水平荷載的參考點(diǎn)RP2，通過(guò)耦合約束使參考點(diǎn)和加載端頭具有相同的自由度，以提高模型分析收斂性。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，提高模型分析的收斂性，將水平低周往復(fù)荷載簡(jiǎn)化為水平單向按位移控制的分步加載。

在有限元分析模擬加載時(shí)，定義三個(gè)分析步：初始分析步，及后續(xù)分析步Step-1，Step-2。

1)初始分析步：設(shè)置為框架柱柱腳底部為固定端，“邊界條件”定義中柱腳設(shè)為完全嵌固，即約束柱腳下表面所有節(jié)點(diǎn)的全部自由度。2)Step-1：施加豎向集中荷載600 kN在分配梁頂面參考點(diǎn)RP1處，分析時(shí)豎向荷載經(jīng)分配梁均勻施加在兩邊的框架柱上，并傳遞到Step-2。3)Step-2：在試件框架梁水平中心處施加水平位移，通過(guò)“邊界條件”方式定義為水平位移控制的單向分步加載。其加載步根據(jù)試驗(yàn)利用幅值(Amp)控制。

其水平加載方案根據(jù)試驗(yàn)確定為：從0加載至位移角達(dá)到1/500(即位移為2.96 mm)之前，位移角增量為1/2 500；加載至位移角達(dá)到1/50(即位移為29.6 mm)之前，位移角增量為1/500；加載至位移角1/50之后，位移角增量改為3/500；加載至位移角1/20后停止加載。具體加載制度如表1所示。

表1 水平荷載加載制度

3 有限元模擬結(jié)果及分析

通過(guò)上述過(guò)程對(duì)1榀裝配式輕鋼框架—輕墻組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，得出結(jié)構(gòu)有限元模型破壞時(shí)損傷形態(tài)應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖1。

混凝土損傷應(yīng)力云圖如圖1a)所示，位移角為1/500，在混凝土墻板與邊柱接觸處應(yīng)力較大，隨位移角增大，應(yīng)力逐漸增大且較大區(qū)域向上提升；在墻板中，沿對(duì)角線方向中部應(yīng)力較大。符合試驗(yàn)現(xiàn)象加載初期在墻板與鋼管柱連接處產(chǎn)生可見(jiàn)豎向裂縫，隨著繼續(xù)加載，豎向裂縫變寬并向上延伸，產(chǎn)生密集細(xì)微裂縫；墻板沿主對(duì)角線方向產(chǎn)生斜裂縫，與試驗(yàn)現(xiàn)象大致吻合。如圖1b)所示位移角為5/500，混凝土墻板對(duì)角線方向應(yīng)力繼續(xù)增大并向角部移動(dòng)，柱底端應(yīng)力增大；墻板與邊框柱接觸部位應(yīng)力增大。符合試驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生大量平行主對(duì)角線方向的斜裂縫，5/500時(shí)角部再生混凝土破壞剝落，墻板邊緣與鋼管柱之間的裂縫加寬，承載力下降，至此墻體作為第一道防線發(fā)生破壞，墻體逐漸退出工作。如圖1c)所示，位移角為13/500，混凝土墻角部應(yīng)力持續(xù)增大，邊柱底端混凝土應(yīng)力增大。與試驗(yàn)現(xiàn)象中墻板中再生混凝土持續(xù)剝落，角部再生混凝土明顯被壓酥的現(xiàn)象相符合。

綜上，該組合結(jié)構(gòu)再生混凝土墻體在位移角達(dá)到約1/100時(shí)，達(dá)到峰值荷載，作為第一道抗震防線破壞，之后鋼管框架承載力還未達(dá)到峰值，框架與鋼筋網(wǎng)架形成第二抗震道防線承受荷載。如圖2所示，墻體破壞后，鋼管框架與鋼筋作為第二道防線承擔(dān)大部分荷載，可明顯看出結(jié)構(gòu)的兩道抗震防線。

4 結(jié)語(yǔ)

為了發(fā)展農(nóng)村建筑綠色建設(shè)和解決農(nóng)村建筑的抗震要求，本文基于課題組提出的一種裝配式輕鋼框架—輕墻板組合結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)。進(jìn)行了非線性有限元分析，主要結(jié)論如下：

1)裝配式輕鋼框架—輕墻板組合結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，可用于實(shí)際工程中，并建議用于農(nóng)村低層或多層建筑;

2)利用有限元分析軟件建立結(jié)構(gòu)的非線性模型，對(duì)組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，與試驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比相符合，驗(yàn)證了有限元模型的正確性和裝配式輕鋼框架—輕墻板組合結(jié)構(gòu)的合理性;

3)在裝配式輕鋼框架—輕墻組合結(jié)構(gòu)中，框架與墻體具有良好的共同工作性能，鋼管框架對(duì)再生混凝土墻體起到約束的作用，可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能；

4)裝配式輕鋼框架—輕墻板組合結(jié)構(gòu)在承受地震荷載中具有明顯的兩道抗震防線，其中作為第一道防線的再生混凝土墻板在進(jìn)行加載的前期階段承擔(dān)大部分的水平荷載，墻體發(fā)生剪切破壞，逐漸退出工作，水平荷載向鋼管框架及鋼筋骨架組成的第二道抗震防線轉(zhuǎn)移，最后框架梁、柱端局部屈服并出現(xiàn)較大塑性變形，呈彎曲破壞。在結(jié)構(gòu)的加載過(guò)程中整體呈現(xiàn)出兩階段性。