ALC板填充墻RC框架結構數值模擬★

雷 晴 甘元初 王勁松 梁 鵬 楊 鑫,2

(1.南華大學，湖南 衡陽 421000; 2.南華大學長三角(諸暨)研究院，浙江 紹興 312000; 3.三亞市城市規劃設計研究院，海南 三亞 572000)

1 概述

鋼筋混凝土(RC)框架結構是世界范圍內最廣泛使用的結構形式之一，其具有結構布置靈活、施工便捷等特點。蒸壓加氣混凝土(ALC)板具有自重輕、保溫隔熱性能好、隔音效果強、不易燃燒、安裝簡捷等優點，在圍護墻體中的應用日益增多[1]。2008年汶川8.0級地震、2010年玉樹7.1級地震中，大多數框架結構均表現出良好的抗震性能，但填充墻破壞嚴重[2],嚴重危害了人民的生命安全，造成財產損失。因此，有必要研究填充墻對框架結構的影響機制。

目前，國內外研究人員針對填充墻RC框架抗震性能進行了許多研究。翟長海等[3]設計制作了4塊足尺砌體填充墻試件進行擬靜力試驗，并通過數值模擬研究不同參數的影響；ALC板作為一種新型建筑材料，目前學界對其抗震性能的研究較少，一些學者針對使用鋼框架[4]或鋼管混凝土框架[5]的ALC板填充墻框架研究其抗震性能。

本文使用ABAQUS有限元分析軟件對ALC板填充墻RC框架結構進行了分離式數值建模，通過對比文獻[6]中的試驗結果驗證了數值模型的適用性與參數選取的準確性，為ALC板填充墻的推廣應用提供參考意見。

2 有限元建模方法

2.1 試驗模型簡介

2017年，英國貝爾法斯特女王大學Cai Gaochuang[6]通過擬靜力試驗研究了三種填充墻RC框架結構的抗震性能，試驗的結構為單層單跨。本文對其中兩個：無填充墻空框架和填充ALC板框架的試驗模型進行數值模擬，其框架的詳細尺寸和配筋如圖1所示。ALC板填充墻模型采用A5.0級的ALC板材。試件上部通過兩個耦合點分別在柱端施加570 kN的均布荷載,水平荷載則通過梁端的耦合點設置。全程采用位移控制,取水平向左為正向加載，每級荷載加載一遍，水平荷載降低到85%或位移角大于1/30時停止加載。

2.2 模型參數設定

模型中的框架梁柱、ALC板填充墻、地梁均采用節點線性六面體減縮積分單元(C3D8R)建模。模型內所有鋼筋采用兩結點線性三維桁架單元(T3D2)建模。混凝土框架各部件之間采用Tie綁定連接，混凝土框架與填充墻之間的接觸用三向彈簧模擬，鋼筋籠通過內嵌區域(Embedded Region)與RC框架連接，這種連接方式忽略了鋼筋與混凝土之間的滑移作用，但可以極大的簡化分析過程。

2.3 材料本構關系

鋼筋采用雙折線模型，第一段折線鋼筋處于彈性階段，此時折線斜率為楊氏模型Es。第二段折線鋼筋處于強化階段，此時折線斜率為強化楊氏模量E，取E=0.01Es。如圖2所示，其中鋼筋在A點處發生屈服，在B點處達到受拉極限。鋼筋各項參數如表1所示。

表1 鋼筋材料參數

考慮到本試驗需模擬混凝土在往復荷載作用下的受力情況，故選用ABAQUS中的塑性損傷模型，混凝土本構曲線參照GB 50010—2010混凝土結構設計規范[7]拉壓應力—應變曲線及相關參數，如圖3所示。

ALC板材料的本構模型受壓應力—應變曲線如下：

其中，X=ε/εpr;Y=σ/fpr；ε,σ分別為ALC板材料的應變及應力；fpr為ALC板材料抗壓強度，取5.0 MPa;εpr為峰值壓應變，取0.003。

ALC板受拉本構參考普通混凝土受拉本構曲線，并認為材料的抗拉強度約為其抗壓強度的1/10。

3 模擬與試驗對比分析

3.1 峰值荷載

根據上述建模方法對鋼筋混凝土空框架及未開洞填充ALC板RC框架進行建模，兩榀框架的有限元分析對比結果如表2所示。由表2可知，兩榀框架正負向峰值荷載的有限元模擬結果和試驗結果存在一定偏差，主要原因有以下幾個方面:1)在計算ALC板材料本構時部分使用了混凝土本構計算公式，造成一定誤差；2)有限元模型未考慮墻板間的拼縫，將復合墻視為一個整體；3)試件制作過程中施工質量存在客觀差異，而數值模型的建立無法模擬這種隨機性，兩者有一定偏差。

表2 水平承載力誤差對比

3.2 滯回曲線

文獻[6]中給出了未開洞ALC板填充墻RC框架和空框架的滯回曲線，本文通過數值模擬得到了兩個模型的滯回曲線，對比如圖4所示。由圖4可知，實驗曲線中部存在明顯的“捏攏效應”，而模擬曲線在中部位置較“飽滿”。文獻[8]認為，滯回曲線的“捏攏”主要表現為構件的荷載—位移曲線在卸載階段剛度迅速降低，其根本原因是混凝土受拉區的開裂以及鋼筋的滑移。由于有限元模型未考慮混凝土與鋼筋的滑移，僅用嵌入命令簡化處理，所以模擬曲線的中部位置相對“飽滿”。

綜上，通過對比兩榀框架試驗和模擬的峰值荷載、滯回曲線，其數據誤差均在10%以內，屈服點也基本相似，計算模型與實驗吻合較好，驗證了數值模擬的準確性和適用性。

4 結語

本文使用ABAQUS有限元分析軟件對ALC板填充墻RC框架結構進行了分離式數值建模，得到的峰值荷載及滯回曲線與試驗的結果較為吻合，本文采用的材料本構關系得到驗證，同時也驗證了分析時選取的模型的合理性與適用性，為后續研究ALC板填充墻RC框架的抗震性能影響提供參考意見。