裝配式外掛復合墻板受力性能分析

韓仿，完海鷹，陳安英

（合肥工業大學，安徽 合肥 230009）

0 前言

我國處于多地震地帶，因強震造成的人員傷亡和財產損失不計其數，經災后調查可知，建筑物墻體的倒塌與破壞是造成傷亡損失的主要原因之一[1～3]，因此在裝配式建筑中，圍護結構的受力性能研究顯得尤為重要[4～5]。本文的研究對象為單榀帶外掛墻板的鋼管混凝土框架，運用ABAQUS對整個結構體系進行建模計算，將模擬結果與試驗結果對比分析，同時進行參數化分析，研究材料參數和幾何參數對結構體系受力的影響規律，為該結構體系在工程實踐中的應用提供理論依據。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本文中的框架結構如圖1所示，為單層單跨鋼管混凝土框架，梁長2.8m，梁截面尺寸300×180×6×10mm，墻板尺寸1880×2920mm，墻板開洞尺寸600×1500mm，方鋼管柱截面□200×200×10mm，高度3100mm，管內灌注C30混凝土。試件的梁柱節點形式統一為栓焊混合連接，梁翼緣與柱的外環板相焊接，梁腹板與柱螺栓連接，螺栓為10.9級M20高強螺栓，梁柱節點詳圖見圖2，外掛墻板與主體框架間的主要連接構件為上、下4個連接節點，其中下節點主要起承重作用，上節點主要起限位作用，外掛墻板垂直放置在下節點的托板上，并與4個節點分別通過1根螺栓相連，上節點通過2根螺栓與鋼梁下翼緣相連，下節點通過2根螺栓與鋼梁上翼緣相連，連接形式及節點詳圖見圖3。

圖1 框架結構示意圖

圖2 梁柱連接示意圖

圖3 連接形式及節點詳圖

1.2 加載制度

加載前進行預加載。正式加載采用美國ATC-24（1992）[6]位移加載制度，以結構屈服位移為控制位移（定義為取加載荷載0.7對應的加載位移為屈服位移，為假定的試件極限荷載取值）。通過MTS液壓伺服作動器對試件施加水平方向的低周往復荷載。試件屈服前，分別以0.25、0.5、0.7為極差控制加載，每級循環2次；試件達到屈服后，采用1、1.5、2、3、5、7、8…進行加載，前3級（1、1.5、2）循環3次，其余每級循環2次，試件安裝圖見圖5。

圖4 試件安裝圖

2 有限元模型建立

2.1 計算模型與基本假定

根據實際尺寸建立了帶外掛墻板鋼管混凝土框架的ABAQUS有限元模型，見圖5。

圖5 ABAQUS有限元模型

由于實際框架的受力情況較為復雜，需對模型做出一定的簡化和基本假定，以便于分析計算。

①梁柱節點內的連接螺栓和墻板與連接件間的連接螺栓一直處于正常受力狀態，不會滑出螺栓孔。

②梁柱間的連接焊縫足夠牢固，不會發生撕裂。

③鋼墩及地梁完全固定，不會隨荷載滑移。

④外掛復合墻板與鋼筋骨架之間連接良好，無相對滑移，能夠共同作用。

⑤外掛墻板的螺栓孔與連接螺栓連接良好，無相對滑移，能夠共同作用。

2.2 材料的本構模型

①鋼材模型

鋼材的本構模型為二次塑流模型，分別為彈性階段(oa)、彈塑性階段(ab)、塑性階段(bc)、強化階段(cd)、二次塑流階段(de)，如圖6。

圖6 二次塑流模型

②混凝土模型

混凝土在受拉和受壓狀態下有不同的彈塑性特征，且需要考慮一定程度的損傷破壞，因此混凝土模型采用《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）[7]中提供的混凝土本構關系和損傷塑性模型，見圖7。

圖7 混凝土損傷塑性模型

2.3 單元參數與邊界條件

模擬中混凝土、鋼梁、地梁、鋼墩、鋼柱、螺栓、連接件等均采用C3D8I單元，各個部件均劃分為六面體網格。墻板內鋼筋骨架采用T3D2單元。

模擬中設置的邊界條件及接觸形式有如下幾種：

①綁定約束。試件結構中，鋼材焊接的位置均采用綁定約束，例如鋼柱與外環板、鋼柱與端板、外環板與鋼梁翼緣之間的焊縫，假定相互約束牢固，共同作用。

②表面與表面接觸。螺栓與試件的接觸、鋼梁與節點連接件的接觸均采用這種形式，在接觸對的切向方向上設置摩擦公式為罰，摩擦系數設為0.45。

③內嵌約束。鋼筋骨架與墻板之間的約束采用內嵌形式，即有著相同的位移變形，其中鋼筋骨架為嵌入區域，墻板為主區域。

④耦合約束。將加載面與一個參考點進行耦合約束，類型為運動耦合。

⑤邊界條件。鋼墩的底部采用完全固定的形式，即Ux=Uy=Uz=θx=θy=θz=0。

2.4 模擬與試驗結果對比分析

在完成有限元分析計算后導出加載點處的反力與空間位移關系曲線，即得到模擬滯回曲線，再將模擬滯回曲線各級循環的峰值點連接起來得到模擬骨架曲線，并與試驗得到的骨架曲線進行對比，如圖8所示。

圖8 模擬與試驗的骨架曲線對比

由對比分析可知，模擬結果表現出更大的彈性剛度，且在相同位移荷載下，模擬結果有著更大的水平荷載，分析是由于試驗試件在加載過程中存在一定的滑移現象，包括鋼材間的擠壓、螺栓在孔內的滑移、墻板內鋼筋的摩擦滑移和試驗裝置的滑移等，會造成水平荷載的下降，而在模擬計算中，對這些滑移現象進行了簡化，因此整體試件剛度較大，但總體的彈性與彈塑性階段變化趨勢基本相符，承載力誤差在5%以內，表明有限元模擬方法具有一定的準確性。

3 參數化分析

3.1 鋼材強度對框架抗側性能的影響

選取四種工程中常用的鋼材屈服強度（Q235、Q345、Q420、Q460）作為影響參數，對試件頂部施加水平荷載，計算得出的水平荷載(P)-水平位移(Δ)關系曲線如圖9所示。

圖9 不同鋼材強度下的P-Δ曲線

根據水平荷載(P)-水平位移(Δ)關系曲線可算出各模型的極限承載力和彈性剛度，如表1所示。

不同鋼材強度下抗側性能對比 表1

由上述結果可知，隨著鋼材屈服強度的增加，框架的彈性剛度變化較小，但極限承載力有明顯的提高，相對于鋼材屈服強度為235Mpa的框架，鋼材屈服強度取345、420、460Mpa的框架極限承載力分別提高了28.9%、47.8%、57.3%，由此可知，鋼材強度對框架體系的極限承載力影響較大，但對彈性剛度影響較小。

3.2 混凝土強度對框架抗側性能的影響

選取四種工程中常用的混凝土強度等級（C30、C35、C40、C45）作為影響參數，對試件頂部施加水平荷載，計算得出的水平荷載(P)-水平位移(⊿)關系曲線如圖10所示。

圖10 不同混凝土強度下的P-Δ曲線

根據水平荷載(P)-水平位移(Δ)關系曲線可算出各模型的極限承載力和彈性剛度，如表2所示。

不同混凝土強度下抗側性能對比 表2

由上述結果可知，隨著鋼材屈服強度的增加，框架的彈性剛度和極限承載力變化并不明顯，相對于混凝土強度為C30的框架，混凝土強度取C35、C40、C45的框架彈性剛度分別提高了1.3%、2.5%、3.3%，極限承載力分別提高了2.8%、6.3%、8.5%。由此可知混凝土強度對框架體系的極限承載力和彈性剛度影響程度較小。

3.3 開洞尺寸對框架抗側性能的影響

根據本文中帶外掛復合墻板的鋼管混凝土框架試件KJ2的材料和尺寸建立有限元分析模型，設置不帶洞和三種開洞尺寸作為影響參數，洞口高均為1.5m，洞口寬分別為L=0.6m、0.9m、1.2m。對試件頂部施加水平荷載，計算得出的水平荷載(P)-水平位移(⊿)關系曲線如圖11所示。

根據水平荷載(P)-水平位移(Δ)關系曲線可算出各模型的極限承載力和彈性剛度，如表3所示。

圖11 不同洞口尺寸下的P-Δ曲線

不同開洞尺寸下抗側性能對比 表3

由上述結果可知，相對于不開洞的框架，當洞口尺寸為1.5m×0.6m、1.5m×0.9m、1.5m×1.2m時，整體框架的彈性剛度分別降低了6.3%、12.1%、15.6%，極限承載力分別下降了8.9%、16.1%、22.9%。由此可知洞口尺寸對框架體系的極限承載力和彈性剛度均有一定影響。

4 結論

通過有限元模擬結果與試驗結果的對比分析以及參數分析可知，本文介紹的有限元分析方法具有一定的有效性和準確性，在材料參數和幾何參數中，鋼材強度對帶外掛墻板鋼管混凝土框架的承載力影響較大，對抗側剛度影響較小，洞口尺寸對于該框架體系的承載力與抗側剛度均有一定的影響。