綠色農房裝配式輕鋼組合墻結構單元構件有限元模擬★

劉凱歌 賈穗子 樊垚江 姚文江 閆茂壯 耿昌賢

(中國地質大學(北京)工程技術學院，北京 100083)

1 概述

近年來，國家大力推行低碳經濟，提倡綠色、環保、節能建筑，全國范圍內推廣建筑工業化和住宅產業化。在住建部十三五綱要中要求大力推行發展綠色低碳建造方式和裝配式建筑。因此，隨著社會的進步，政府開始對農村建筑發展進行引導，綠色低碳裝配式建筑在我國農村地區具有著十分廣泛的發展前景[1]。

我國是世界各國中地震災害發生較為頻繁的國家，同時在地震易發區還具有較高的地震發生頻率的特點。其中農村和城市相比，地震對農房產生的震害影響更為嚴重。主要是由于農村地區的建筑多為自建房，沒有相關政府部門監管，沒有專業人員進行設計，無施工資質，經濟條件限制，并且農民對抗震不夠關注，有關機構也未對農房進行規范管理，我國大多村鎮建筑普遍存在著抗震性能不足的問題。因此，對農村建筑的抗震性能提升十分必要，直接影響人民的安全。可見，研發適合農村實用的新型抗震結構體系，充分利用農村資源優勢，降低抗震成本，是真正解決農房抗震問題的關鍵技術[2]。

2 適于綠色農房的裝配式輕鋼組合墻結構單元

本文以課題組研發的一種適于綠色農房的裝配式輕鋼組合墻結構單元為研究對象，基于前期的試驗研究[3,4]，以理論分析與數值模擬相結合的方法研究其構件的抗震性能，驗證構件的可行性，并提出結構相關設計建議。該組合結構的輕鋼框架由鋼管再生混凝土柱梁通過加強型節點連接而成，輕墻為單排配筋再生混凝土薄墻板。

圖1為單元試件結構圖。

3 有限元模型分析

本文采用非線性有限元分析軟件ABAQUS建立了裝配式輕鋼組合墻結構單元的有限元模型，研究了在單調水平荷載加載下構件受力階段結構的損傷形態，并且給出了相應的抗震設計建議。

3.1 有限元模型的創建

3.1.1 結構部件模型的創建

根據試件的幾何尺寸，對結構各部件進行建模，主要包括：鋼管內填充再生混凝土、邊框梁柱方鋼管、再生混凝土墻、鋼筋及網架、水平荷載加載頭及分配梁等。為了簡化模型，提高計算效率，模型中將帶加勁肋板加強型節點和柱腳與基礎鋼連接的高強螺栓省略，之后以綁定約束等效為剛性連接。采用分配梁是為了在模擬中對兩邊的鋼管混凝土柱均勻分配豎向荷載，并且避免了應力集中。采用加載頭是為了避免水平荷載在加載位置產生應力集中。邊框梁柱方鋼管、鋼管內填充混凝土、墻板混凝土均采用C3D8R八節點三維實體單元進行模擬，此實體單元基于六面體線性減縮積分模式，縮減積分減少了單元中的積分點，與三維線性積分單元(C3D8)相比較，在彎曲荷載作用下可以避免發生剪切自鎖現象，提高了計算的速率。在剪切變形為主的模擬中，采用C3D8R單元比二階單元或一階不減縮積分單元的效率高，而且在網格扭曲變形時，合理細分網格可提高精度且影響不大。墻板內鋼筋采用T3D2兩節點三維桁架單元，此單元的節點只有平動自由度，僅承受拉壓荷載，可忽略橫向抗剪強度。鋼筋采用分離式方法建模，即每根鋼筋單獨建模，然后采用內嵌形式將鋼筋融入到墻板中，因此不考慮鋼筋與墻板混凝土之間的粘結滑移。再生混凝土墻板內鋼邊框采用S4R四節點通用目的殼單元，此實體單元基于減縮積分模式，允許有橫向剪切變形，通用殼單元考慮了有限的膜應變和任意大的轉動，適用于大應變分析。

3.1.2 創建材料、截面屬性和定義裝配

根據鋼材和再生混凝土的本構關系創建材料，分別創建混凝土和鋼材。混凝土材料力學特性中彈性設置為各向同性，輸入彈性模量和泊松比，塑性選擇混凝土損傷塑性模型，定義塑性特性、壓縮特性和拉伸特性，并定義混凝土壓縮損傷模型。鋼材中力學特性中彈性設置為各向同性，輸入彈性模量和泊松比，塑性定義屈服應力—塑性應變的關系。之后創建截面并給部件賦予截面屬性。

3.1.3 定義邊界約束條件

為了模擬試驗中組合結構所承受的水平荷載與豎向荷載，在模擬中通過設置兩個參考點RP1和RP2來施加豎向力和水平力。其中，施加豎向力的參考點RP1在剛體分配梁頂部中心位置上方，通過邊界條件保留上端方向自由度以保證施加軸向荷載，保證實驗中豎向荷載施加點和方向保持不變。水平位移由大剛度加載端頭傳遞，以達到加載過程受力簡單明確。對于施加水平荷載的參考點RP2，通過耦合約束使參考點和加載斷頭具有相同的自由度，以提高模型分析收斂性。將模型底面定義為固結，在模型兩鋼管混凝土柱底部設置一個固定約束ENCASTRE，以模擬構件與基礎的固定。

3.1.4 網格劃分

ABAQUS提供了三種網格劃分方式：結構優化網格(Structured)、掃掠網格(Sweep)、自由網格(Free)。本文模型構造簡單，為了提高精度，實體全部采用六面體結構化網格劃分，殼單元采用四面體—主體單元自由網格劃分。本試驗有限元模型墻體網格劃分種子密度為50 mm。

3.2 有限元模擬結果

通過對1榀裝配式輕鋼組合墻結構單元，以及組成單元的1榀空框架和1片單排配筋再生混凝土墻體進行有限元建模，得出結構破壞時混凝土損傷云圖及墻板達到極限荷載時鋼筋應力云圖和方鋼管應力云圖。圖2分別為試驗中構件破壞，試驗結束時(即位移角達到約1/25)時，再生混凝土、鋼管框架、鋼筋網架的應力損傷云圖。由圖2可得鋼管框架柱梁連接節點處應力較大，部分鋼筋應力較大。

圖3為墻板厚度為40 mm的試件與墻板厚度為60 mm的試件在位移角為3/500,5/500,1/25時的混凝土損傷應力云圖。由圖3對比可知，再生混凝土墻板厚度增加了50%，其承載力增加，墻體工作性能提高；60 mm厚墻板的耗能更加充分。

4 裝配式輕鋼框架輕墻組合結構抗震設計建議

基于有限元模擬與理論分析并結合實際工程應用實例，裝配式輕鋼組合墻結構單元充分利用其截面尺寸小，自重輕等特點在建筑抗震能力方面較普通建筑更有優勢。依據該結構的受力特點，給出裝配式輕鋼組合墻結構在抗震設計方面的建議。

1)裝配式輕鋼組合墻結構在不同墻體厚度以及不同鋼筋間距且滿足建筑規范要求的條件下，均體現出良好的抗震性能，與一般結構相比更加安全可靠。該結構可推廣用于中低層綠色農房建筑，滿足建筑的抗震設防要求，并且具有建筑施工速度快，施工周期較短的特點，適用于當地施工條件惡劣的項目。

2)該結構可采用綠色環保材料如再生混凝土代替普通混凝土，既滿足了建筑抗震設計的要求，符合我國建筑發展的趨勢。對多余或作廢的建筑材料可回收利用，保證資源利用最大化，又體現了環保節約的觀念。

3)由有限元模擬分析得出的結構破壞時的混凝土損傷應力云圖分析，發現結構的梁柱節點處應力明顯大于其他部位，該處輕鋼邊框受力變形較大。因此，該結構工業化建造過程中應考慮加強梁柱節點處的連接強度及穩定性，進一步提高結構的安全性可靠性。

4)建議采用參數優化的設計方法，針對裝配式輕鋼組合墻結構在不同參數下的力學性能進行分析。