填充墻開(kāi)洞情況對(duì)填充墻-鋼框架受力性能影響的研究

崔名相， 陳向榮, 周 劍， 劉中偉

西安建筑科技大學(xué)（710055）

填充墻—鋼框架結(jié)構(gòu)是在建筑中廣泛使用的結(jié)構(gòu)形式。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)填充墻—鋼框架結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行了較為廣泛的研究,但對(duì)于開(kāi)洞填充墻—鋼框架結(jié)構(gòu)的研究十分有限。

鋼框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較低,在多層或高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中通常采用合適的抗側(cè)力體系來(lái)滿足鋼框架的抗側(cè)力要求，填充墻是框架結(jié)構(gòu)建筑中不可缺少的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,在工程中應(yīng)用十分廣泛。當(dāng)前這類(lèi)結(jié)構(gòu)較為常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方法是鋼框架承擔(dān)全部豎向和水平荷載。填充墻構(gòu)件不作為結(jié)構(gòu)的一部分參與工作[1]。然而填充墻除了起到外圍護(hù)墻、內(nèi)隔墻及樓梯電梯間墻體作用外，從結(jié)構(gòu)角度看，當(dāng)框架受水平力作用時(shí)，墻體會(huì)參與共同抵抗水平力。

工程設(shè)計(jì)中，由于功能要求需開(kāi)設(shè)門(mén)窗洞口、設(shè)置半高墻或底層不設(shè)置墻體。墻體平面外的剛度很大，墻體面積的減少降低了結(jié)構(gòu)的承載力和剛度,對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能有很大影響。因此，對(duì)開(kāi)洞填充墻—鋼框架結(jié)構(gòu)不同開(kāi)洞形式進(jìn)行研究，不僅有較大的理論意義，而且還具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。本文主要研究開(kāi)門(mén)洞口位置的改變對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS對(duì)實(shí)體填充墻—鋼框架和開(kāi)洞填充墻—鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析和結(jié)構(gòu)受力特性分析，為開(kāi)洞填充墻—鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 有限元模型

1.1 模型尺寸

表1 門(mén)洞位置設(shè)置表

填充墻—鋼框架結(jié)構(gòu)為二層單跨結(jié)構(gòu)[2]，層高1400，跨度為2400，其梁柱截面均為焊接H型截面，柱截面尺寸H×B×t1×t2為 150mm×150mm×7mm×10mm（翼緣厚為 7mm，腹板厚 10mm）,梁截面尺寸 H×B×t1×t2為 200mm×100mm×6 mm×8mm（翼緣厚為6mm，腹板厚8mm）。柱加勁肋厚度為7mm，位于與梁翼緣相對(duì)應(yīng)的位置，柱頂蓋板厚度為15 mm。用多空磚砌體墻作為維護(hù)墻，其厚度為150mm。試件設(shè)計(jì)如表1，其中開(kāi)洞結(jié)構(gòu)的開(kāi)洞率均為16.5%。

1.2ANSYS單元類(lèi)型選取

根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，用ANSYS程序[3]對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，鋼框架采用三維20結(jié)點(diǎn)的SOLID95單元,單元每個(gè)結(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，填充墻采用8結(jié)點(diǎn)的SOLID65單元，單元每個(gè)結(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度。鋼框架與墻體之間的接觸單元?jiǎng)t采用TARGET170和CONTA174，接觸面之間的摩擦系數(shù)取0.45。

鑒于單元?jiǎng)澐种苯佑绊懹?jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算速度，劃分網(wǎng)格時(shí)梁柱結(jié)點(diǎn)位置采用自由網(wǎng)格劃分[3]，其它部位采用映射網(wǎng)格劃分。

鋼材的彈性模量Es取1.7993MPa，應(yīng)力—應(yīng)變曲線采用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，屈服強(qiáng)度為287MPa；砌體彈性模量3.756×103MPa,使用VonMises屈服準(zhǔn)則,抗壓強(qiáng)度取4.19MPa。

1.3 試件加載設(shè)置

為了準(zhǔn)確模擬實(shí)際受力情況,試件中均在柱端施加80kN的軸力,并以面力的方式施加到柱端的蓋板上端截面的所有結(jié)點(diǎn)上，在二層梁柱連接處施以Z方向上的約束，防止試件出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，鋼框架柱腳施以固端約束。為了模擬底層墻體真實(shí)的受力情況，施加約束時(shí)，將填充墻與鋼框架底部的所有節(jié)點(diǎn)的自由度限制為零，使整個(gè)截面為固支。另外對(duì)二層梁所對(duì)應(yīng)的外側(cè)柱面所有結(jié)點(diǎn)進(jìn)行X方向位移耦合，這時(shí)程序?qū)⒆詣?dòng)產(chǎn)生一個(gè)主結(jié)點(diǎn),外力以位移的方式施加于耦合端面的主結(jié)點(diǎn)上，施加循環(huán)位移荷載。如圖1所示。

2 試件的強(qiáng)度和剛度分析

2.1 系列試件骨架曲線分析

由于填充墻的開(kāi)洞使得結(jié)構(gòu)的承載能力下降，但位置的不同，影響程度是不一樣的。表2為MD系列試件的相關(guān)數(shù)據(jù)。

經(jīng)比較，在循環(huán)荷載作用下，MD-1的承載力相對(duì)MD-2和MD-3要略大,由于洞口左偏或右偏造成墻體與鋼框架之間的粘結(jié)面減少，兩者之間的摩擦力也相應(yīng)的減少，鋼框架對(duì)墻體的約束作用以及墻體對(duì)鋼框架的支撐作用也會(huì)減弱，使結(jié)構(gòu)的承載能力降低。由于加載位置在左側(cè)，MD-2試件比MD-3的承載能力要高,這是因?yàn)閴w的承載能力主要是靠受壓對(duì)角線區(qū)域墻體的面積,而MD-3試件（洞口右偏）削弱了對(duì)角線區(qū)域墻體的面積,造成了MD-3試件承載能力偏低。盡管MD-2試件承載力偏高，但也是因?yàn)槭軌簠^(qū)域面積的減少，使得結(jié)構(gòu)位移很小時(shí)，結(jié)構(gòu)就達(dá)到了極限狀態(tài)。

表2 MD系列試件相關(guān)數(shù)據(jù)

KJ試件和MD系列試件骨架曲線如圖1所示。

從圖1四個(gè)試件的的骨架曲線可以得出，MD試件與KJ試件相比,結(jié)構(gòu)的承載力明顯下降,MD-1試件延性劣化不明顯,而MD-2試件和MD-3試件劣化明顯,MD-2試件和MD-3試件更容易發(fā)生脆性破壞。MD-2試件在正向加載時(shí)曲線變化趨勢(shì)與KJ試件幾乎重合，而反向加載時(shí)曲線變化趨勢(shì)與KJ試件相比差別很大。這正好與MD-3試件相反，MD-3試件在反向加載時(shí)曲線變化趨勢(shì)與KJ試件幾乎重合，而在正向加載時(shí)變化趨勢(shì)差別很大。這主要是因?yàn)閴w的受力部位集中在受壓對(duì)角區(qū)域，MD-2試件在正向加載時(shí)，對(duì)角區(qū)域面積削弱很小，而反向加載時(shí)，由于洞口的偏置，對(duì)角區(qū)域面積削弱的比較嚴(yán)重,造成了反向加載結(jié)構(gòu)承載能力偏低。MD-1試件洞口位置正好位于受壓對(duì)角區(qū)域的中間，由于應(yīng)力發(fā)展是從受壓角部區(qū)域逐漸向中間區(qū)域發(fā)展,中間區(qū)域相對(duì)受壓角部區(qū)域應(yīng)力較小。在循環(huán)荷載作用下，就對(duì)角區(qū)域削弱而言，介于MD-2試件和MD-3試件之間，曲線變化趨勢(shì)恰好說(shuō)明了這一點(diǎn)。

由圖1和以上分析可以得出，開(kāi)門(mén)洞填充墻-鋼框架在循環(huán)加載作用下，結(jié)構(gòu)的承載能力下降。而門(mén)洞位置的改變，對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的降低影響不大,但會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的延性造成不同程度的影響。洞口離側(cè)向荷載近時(shí)墻體其受力性能比洞口在相反邊的好。

2.2 試件割線剛度退化曲線分析

KJ試件和MD系列試件割線剛度退化曲線如圖2所示。

從圖2四個(gè)試件的割線剛度退化曲線可以得出,墻體和鋼框架的作用，可以增大結(jié)構(gòu)的剛度，但由于墻體開(kāi)洞造成了結(jié)構(gòu)初始剛度的下降。隨著墻體的破壞，試件的割線剛度出現(xiàn)了嚴(yán)重的退化現(xiàn)象。墻體逐漸退出工作，試件的割線剛度也趨向平緩，MD-1試件在位移達(dá)到30mm后，和KJ的割線剛度退化趨勢(shì)趨向一致。

從圖2和以上分析可以得出,開(kāi)洞填充墻—鋼框架在循環(huán)荷載作用下，割線剛度出現(xiàn)下降，而門(mén)洞位置對(duì)結(jié)構(gòu)割線剛度的降低影響不大。

3 結(jié)論

綜合以上分析，可以得出如下結(jié)論。

1）由于墻體開(kāi)洞使得結(jié)構(gòu)的承載力和剛度都有所下降。

2）在循環(huán)荷載作用下，門(mén)洞位置的改變，門(mén)洞口的正中、左偏和右偏，三者的受力性能差別不大，正中的門(mén)洞口的承載力要略大些。

3）門(mén)洞口位置的改變對(duì)結(jié)構(gòu)初始剛度以及剛度退化趨勢(shì)的影響不大。

4）在地震作用比較大時(shí)，洞口的左偏或是右偏，由于接觸面的減少,很容易造成墻體的傾倒。因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免墻體偏置。

[1]GB50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[2]劉肖凡,霍凱成,谷倩等.新型砌體復(fù)合填充墻鋼框架體系試驗(yàn)研究及有限元分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào),2006,38(5):634-638

[3]王新敏著.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].人民交通出版社