配筋砌體墻混凝土框架內(nèi)力分析與裂縫模擬★

姜俊銘

(西安交通大學(xué)，陜西西安 710049)

0 引言

空心磚砌塊或輕質(zhì)混凝土砌塊常作為圍護(hù)構(gòu)件應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)中，以滿足建筑功能的需要。填充墻的存在改變了框架結(jié)構(gòu)的各種性能指標(biāo)，使結(jié)構(gòu)的整體變形和位移較純框架有較大不同。不同的墻框連接形式、不同的填充墻構(gòu)造又會(huì)有不同程度的影響。文獻(xiàn)［1］～［3］著重分析了配筋砌體墻框架中墻、框不同連接方式對結(jié)構(gòu)承載力、延性、耗能特性、抗震性能的影響;文獻(xiàn)［4］［5］分析了砌體填充墻對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響及研究現(xiàn)狀。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，利用有限元方法，通過改變填充墻的具體構(gòu)造，對含有空心砌塊、實(shí)心砌塊、配筋砌塊的混凝土框架建立有限元模型，研究內(nèi)容主要是:1)分析其對框架結(jié)構(gòu)承載能力及延性的影響方面的變化規(guī)律;2)各種形式填充墻框架的混凝土開裂和破壞情況。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型的建立及材料性能

本文所取模型是參照文獻(xiàn)［4］中的試驗(yàn)?zāi)Ｐ投ǎ步?榀足尺的鋼筋混凝土框架，分別是空框架、空心砌塊填充墻框架、實(shí)心砌塊填充墻框架、配筋砌體填充墻框架，各模型框架部分的設(shè)計(jì)完全相同，不同之處在于內(nèi)嵌墻體的構(gòu)造。模型設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，框架部分(未示出墻體)的幾何尺寸及配筋如圖1所示。

圖1 框架幾何尺寸及配筋圖（單位：cm）

對于配筋砌體墻，采用縱橫配筋，其鋼筋部分有限元模型如圖2所示。

圖2 模型配筋圖

框架混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級C35，砌塊砌體的等級為Mu20，砂漿等級為Mb20。柱的設(shè)計(jì)軸壓比為n=0.35。

框架梁和柱縱向鋼筋、墻配筋均采用HRB335鋼筋，箍筋采用HPB235鋼筋，其力學(xué)性能見表1。

表1 鋼筋力學(xué)性能

1.2 約束及加載

本文模型下部鋼梁采用固端約束，柱頂施加豎向均布荷載，在梁左端進(jìn)行位移和力控制的混合加載。

1.3 有限元參數(shù)的設(shè)置

本文所選有限元參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好［6-8］。采用分離式建模，混凝土采用Solid65單元，鋼筋采用Link8單元。不考慮鋼筋與混凝土間的粘結(jié)滑移。混凝土的本構(gòu)模型采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》所規(guī)定的沒有下降段的混凝土單軸本構(gòu)關(guān)系。砌體是一種非均質(zhì)、各項(xiàng)異性材料，砌縫是其薄弱環(huán)節(jié)，對其本構(gòu)關(guān)系及破壞準(zhǔn)則進(jìn)行研究非常困難。目前，ANSYS尚沒有能夠反映砌體受砌縫影響的復(fù)雜的剪壓破壞模型，只有參照類似材料的常用破壞準(zhǔn)則，通過參數(shù)的適當(dāng)選取來最大限度地模擬砌體的破壞［8］。本文砌體本構(gòu)模型采用湖南大學(xué)劉桂秋未灌芯混凝土砌塊的本構(gòu)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 極限承載力

在水平荷載作用下，4榀框架的極限承載力及延性顯示出很大的差異性，如圖3所示。

圖3 各模型的極限承載力

研究表明，砌體墻的剛度效應(yīng)極大地影響了框架結(jié)構(gòu)的承載力和延性?？蚣芙Y(jié)構(gòu)承載力的提高很大程度上是由于砌體墻與框架間采用剛性連接，使二者形成一有機(jī)整體，共同抵抗水平力。圖3中結(jié)構(gòu)極限承載力數(shù)值較大，為弄清其原因，現(xiàn)只改變砌塊和砂漿強(qiáng)度參數(shù)，考察結(jié)構(gòu)極限承載力的變化情況，如圖4所示。

圖4顯示，采用強(qiáng)度等級較高的砌塊砌體和砂漿可以顯著提高結(jié)構(gòu)的承載力和延性，由于砌體是脆性材料，因而墻體極限承載力的大小很大程度上取決于砌縫粘結(jié)強(qiáng)度的強(qiáng)弱。

圖4 砌塊強(qiáng)度對極限承載力的影響

2.2 混凝土裂縫的發(fā)展和變化規(guī)律

混凝土裂縫的處理方式有離散裂縫模型、分布裂縫模型和斷裂力學(xué)模型。本文有限元模型采用分離式建模，ANSYS采用分布裂縫模型的處理方式，分布裂縫模型也被稱為彌散裂縫模型，其實(shí)質(zhì)是將實(shí)際的混凝土裂縫“彌散”到整個(gè)單元中［9］。

在進(jìn)行開裂模擬時(shí)，要用到應(yīng)力釋放?；炷潦軌洪_裂時(shí)，材料完全崩裂，應(yīng)力驟然降為零;受拉破壞時(shí)，在垂直于裂縫的方向上應(yīng)力驟然降為零。采取應(yīng)力釋放，即可區(qū)分混凝土是受壓開裂還是受拉開裂，ANSYS中有專門的應(yīng)力釋放控制件［10］。

圖5～圖8為ANSYS軟件模擬的混凝土框架、空心砌體墻框架、實(shí)心砌體墻框架、配筋砌體墻框架在單調(diào)水平荷載作用下的模型開裂情況和表面裂縫分布規(guī)律。

圖5a)顯示，空框架在剛開裂時(shí)，首先在梁、柱節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生豎向壓裂縫，隨著荷載增大，在兩根柱的下端外側(cè)相繼出現(xiàn)水平拉裂縫，在梁柱節(jié)點(diǎn)受壓區(qū)出現(xiàn)更多豎向裂縫。在鋼筋接近屈服時(shí)，混凝土梁和柱上均產(chǎn)生較多裂縫，大致分布是在初次開裂的區(qū)域單元積分點(diǎn)處在三個(gè)垂直方向開裂，同時(shí)已經(jīng)開裂的裂縫出現(xiàn)閉合;在梁、柱中間區(qū)域出現(xiàn)較多的45°斜裂縫，在梁、柱邊緣處更多的是水平裂縫和豎向裂縫。同時(shí)可以看出，在梁柱節(jié)點(diǎn)、柱端截面、柱頂、柱腳破壞最為嚴(yán)重(圖中顏色較重區(qū)域)，最終框架成為機(jī)動(dòng)體系而破壞(見圖5b))。

圖5 空框架的裂縫開展及分布規(guī)律

由圖6表明，砌體墻的加入使得結(jié)構(gòu)的受力和破壞形態(tài)與空框架相比有很大不同，砌塊砌體為脆性材料，抗拉和抗壓強(qiáng)度都較低，極易開裂，在初始受力階段成為主要抗側(cè)力構(gòu)件，此時(shí)框架所承擔(dān)的荷載較少。結(jié)構(gòu)臨近破壞時(shí)，砌體墻已出現(xiàn)三個(gè)方向的開裂，嚴(yán)重?fù)p壞。從圖6b)可以看出，在左側(cè)柱下端外側(cè)開裂最為嚴(yán)重，右側(cè)柱破壞較輕。

與空心砌體框架相比，空心砌塊灌芯后填充墻的剛度及強(qiáng)度大為增加，墻面沿受壓對角線方向出現(xiàn)一系列的斜裂縫，組成一個(gè)裂縫區(qū)域斜向條帶，如圖7a)所示，受拉對角線方向上方角部塊體上幾乎沒有裂縫，框架的破壞與空心砌體框架大致相同，表現(xiàn)出了更為明顯的彎曲破壞形態(tài)。

圖6 空心砌體框架的裂縫開展及分布規(guī)律

圖7 實(shí)心砌體框架的裂縫開展及分布規(guī)律

圖8顯示，墻體中配有縱橫鋼筋對結(jié)構(gòu)的破壞形式?jīng)]有多大影響，文獻(xiàn)［11］指出在一定的豎向配筋下，水平配筋率的提高甚至可以改變破壞形態(tài)，這與本文所顯示的現(xiàn)象不太一致。

圖8 配筋砌體框架的裂縫開展及分布規(guī)律

2.3 荷載位移曲線

圖9為空心砌體墻框架、實(shí)心砌體墻框架、配筋砌體墻框架在水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)的荷載位移曲線。

可以看出，墻體與框架的剛度相對值決定了水平荷載的分配。

1)顯示墻體在最初階段承擔(dān)荷載較大，隨著墻體開裂，墻逐漸退出工作，柱成為主要抗側(cè)力構(gòu)件;2)中墻體剛度大為增強(qiáng)，后期由于框架對墻體的約束作用，墻依然承擔(dān)較大的作用力;3)中墻體中縱橫鋼筋的加入使墻體剛度繼續(xù)增大，柱反而成為次抗側(cè)力構(gòu)件，結(jié)構(gòu)顯示出明顯的“強(qiáng)墻弱框架”特性。

圖9 各模型的荷載位移曲線

3 結(jié)語

研究表明，改變填充墻的具體構(gòu)造可以顯著影響結(jié)構(gòu)的極限承載力和延性，具體而言:1)使用高強(qiáng)度的砌塊和砂漿對于提高砌體墻和整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力意義重大。2)灌芯砌塊相比于空心砌塊，具有更大的強(qiáng)度和剛度，其提高程度受灌芯混凝土強(qiáng)度等級的影響。3)砌體墻中加入縱、橫向鋼筋可以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能。4)可以根據(jù)實(shí)際要求控制墻體以及框架強(qiáng)度和剛度的相對強(qiáng)弱，構(gòu)造“強(qiáng)框架弱墻”或“強(qiáng)墻弱框架”的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)不同等級的抗震設(shè)防需求。

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