內(nèi)嵌圍護墻板對鋼框架抗側(cè)力性能的影響效應

金曉飛，孟永杰，楊曉杰，范 峰，曹正罡，李景芳

(1.哈爾濱工業(yè)大學 土木工程學院，150090 哈爾濱;2.中國建筑股份有限公司技術中心，101300 北京;3.中國中元國際工程公司，100089 北京)

裝配式鋼結(jié)構建筑體系因其“節(jié)能、低耗、省時”三大特點勢必成為房屋建筑業(yè)未來發(fā)展的方向之一.已有研究和實踐經(jīng)驗表明，墻體圍護結(jié)構的問題是制約鋼結(jié)構住宅長足發(fā)展的主要原因之一［1］.《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2010)規(guī)定圍護墻和隔墻應考慮對結(jié)構抗震的不利影響，避免不合理設置而導致主體結(jié)構的破壞.《輕型鋼結(jié)構住宅技術規(guī)程》(JGJ 209—2010)指出，忽略填充墻的側(cè)向剛度作用，對抗震不利，宜利用鑲嵌填充的輕質(zhì)墻體側(cè)向剛度對整體結(jié)構抗側(cè)移的作用，墻體的側(cè)向剛度應根據(jù)墻體材料和連接方式的不同由試驗確定.目前對于砌體填充墻與框架協(xié)同作用的相關研究較多，但是對于鑲嵌墻板，通常認為其對結(jié)構影響較小，因而相關研究較欠缺.李國強等［2］曾對帶ALC(蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土)墻板鋼框架結(jié)構進行了水平靜力及低周反復加載試驗，試驗得出內(nèi)嵌墻板會使框架剛度增大50% ～70%，承載力提高65%左右.該試驗只是針對確定形式的墻板及跨度進行試驗并且沒有考慮豎向荷載及墻體開洞的影響.許剛［3］曾針對ASA板(輕質(zhì)節(jié)能環(huán)保型復合材料)鑲嵌式墻板鋼框架在低周往復荷載作用下進行試驗，試驗結(jié)果表明該體系抗側(cè)剛度、極限承載能力和延性均優(yōu)于普通鋼框架體系.其次，目前對于填充墻鋼框架的有限元模擬方法不盡相同［4－9］，針對帶圍護墻板鋼框架的數(shù)值模擬仍較少.

采用有限元軟件ANSYS建立內(nèi)嵌圍護墻板鋼框架的精細化模型，在與已有試驗結(jié)果進行對比分析的基礎上，進行內(nèi)嵌圍護墻板鋼框架抗側(cè)力性能分析，最終給出各種因素對圍護墻板鋼框架側(cè)向剛度和承載能力的影響規(guī)律及量化指標.

1 精細化模型

1.1 墻板節(jié)點模型

在進行整體結(jié)構建模時，墻板與框架之間連接的準確模擬至關重要.由于鉤頭螺栓連接(圖1)在實際工程中使用較多，因此在整體建模時利用彈簧單元來模擬鉤頭螺栓節(jié)點.采用有限元模擬獲得螺栓剛度，結(jié)合實際鉤頭螺栓構造對其進行簡化，忽略墻板作用，對螺栓與角鋼焊接處節(jié)點施加全約束，螺栓與墻板發(fā)生變形時相接觸部位的節(jié)點在側(cè)移方向上進行耦合，保證變形的協(xié)調(diào)性.施加側(cè)向均布荷載.得到鉤頭螺栓的剛度曲線見圖2.由曲線可確定螺栓初始剛度為12.9 kN/mm.

圖1 實際鉤頭螺栓模型

圖2 鉤頭螺栓荷載－位移曲線

1.2 整體結(jié)構模型

框架模型尺寸選取與文獻［2］中試驗模型保持一致.模型各部分模擬單元見表1.Solid65為ANSYS中模擬混凝土的專用單元，該單元考慮了混凝土材料非線性、開裂、壓潰等特性，能夠較好地考察框架節(jié)點局部應力變化以及墻板與框架之間的接觸模擬，框架采用Solid95單元.墻板采用分塊墻板，寬度為600 mm，厚度為100 mm，材料本構選用輕質(zhì)混凝土本構模型［10］，配筋采用整體式配筋，混凝土破壞準則為五參數(shù)破壞準則.混凝土閉合裂縫剪應力傳遞系數(shù)取0.9，開裂剪應力傳遞系數(shù)取0.5.為了保證計算收斂，僅考慮混凝土受拉開裂而不考慮其壓潰，當墻板拉應力達到0.4 MPa即開裂.通過定義接觸單元參數(shù)最大摩擦應力(1 MPa)來模擬墻體之間的粘結(jié)作用，接觸面法向罰剛度因子取10［11］，墻板節(jié)點采用彈簧單元來模擬.

表1 選用單元

對模型上下層施加大小相等的單調(diào)荷載，分析結(jié)果與試驗結(jié)果對比見圖3，結(jié)果表明，采用該計算模型的結(jié)構荷載－位移曲線與試驗結(jié)果基本吻合.對照曲線與空框架極限荷載作用下的應力云圖(圖4)可以看出，空框架在頂點位移30 mm以內(nèi)，水平力＜100 kN時，框架變形保持在彈性范圍內(nèi)，當頂點位移超過30 mm時，框架剛度出現(xiàn)突變，剛度接近于零.對帶墻板框架，同樣是在頂點相同位移時發(fā)生剛度突變，原因是在相同位移處，框架節(jié)點進入塑性，此后結(jié)構剛度主要通過墻板與框架之間的協(xié)同作用來貢獻，墻板的存在不致于使結(jié)構像空框架一樣剛度突變接近于零，從而使結(jié)構具有繼續(xù)承載的能力.

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比

圖4 側(cè)向荷載為120 kN時空框架應力云圖

帶墻板框架變形和受力過程總結(jié):初始受力階段，墻板主要是通過連接節(jié)點與框架協(xié)同變形，框架初始剛度的增加主要由墻板與框架的協(xié)同工作來實現(xiàn).在較小荷載下(130 kN)，節(jié)點連接處墻板首先出現(xiàn)裂縫，圖5所示側(cè)向荷載為130 kN時墻板裂縫圖，之后由于墻板和框架的變形，墻板對角分別與框架上下梁翼緣頂緊，框架繼續(xù)變形時墻板節(jié)點力不再繼續(xù)增大，節(jié)點處的裂縫不會繼續(xù)擴展，此時框架主要通過墻板的對角頂緊進行傳力，圖6所示側(cè)向荷載為210 kN時墻板應力云圖，可以看出應力呈對角分布模式，之后墻板角部逐漸出現(xiàn)裂縫并且一步步沿對角線擴展.

圖5 側(cè)向荷載為130 kN時墻板裂縫圖

圖6 側(cè)向荷載為210 kN時墻板應力分布云圖

2 參數(shù)分析

以相關建筑設計標準和抗震規(guī)范為依據(jù)進行參數(shù)化設計，分別選取軸壓比、跨度、墻板寬度、墻板厚度及墻體開洞形式及面積為參數(shù)，針對每種參數(shù)進行模型設計和分析，總結(jié)分析計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，指導實踐運用.

2.1 軸壓比

選取柱軸壓比分別為 0、0.1、0.3、0.5、0.6 五種情況進行分析.框架層高取3 m，跨度取4.5 m.文中僅選取軸壓比為0、0.3和0.5情況結(jié)果對比.圖7所示為各軸壓比下有無墻體鋼框架荷載－位移曲線，可以看出，豎向荷載對空框架的初始剛度影響較小，但對其極限荷載影響較大，原因是空框架的破壞是由節(jié)點全面進入塑形而導致整體結(jié)構失效.在豎向荷載的作用下，框架節(jié)點會提前進入塑形階段，因此軸壓比越大，空框架側(cè)向承載力越小.極限荷載定義為一層層間位移角達到1/50時的荷載，荷載－位移曲線中位移取值為二層層頂位移.

圖7 各軸壓比下有無墻體鋼框架荷載－位移曲線

對于帶墻板框架在不同軸壓比作用下其極限荷載相差較小，原因是在框架發(fā)生一定的變形時，墻板與框架對角頂緊，帶墻板框架的極限承載力主要由墻板決定.由圖7可以看出，隨著軸壓比的增大，帶墻板框架的側(cè)向初始剛度不斷增大，這是因為在豎向荷載作用下，墻板與梁之間壓力增大，從而導致在整體結(jié)構發(fā)生側(cè)向變形時摩擦阻力增大，使框架側(cè)向剛度增大.計算結(jié)果見表2，可以看出，當軸壓比為0.6時，帶墻板框架剛度和承載力增大系數(shù)都超過了2.0.

表2 不同軸壓比計算結(jié)果

為了分析軸壓比變化時對結(jié)構抗震性能的影響，分別取軸壓比為0.5和0兩種情況對結(jié)構進行滯回分析.施加水平荷載為150 kN的往復荷載.圖8所示為不同軸壓比下帶墻板鋼框架滯回曲線，可以看出，在沒有豎向荷載時，結(jié)構的滯回曲線呈反S形并具有“捏縮”效應，反映了更多的滑移影響.而軸壓比為0.5時，結(jié)構滯回曲線大致呈梭形，反映了整個結(jié)構較強的塑性變形能力和耗能能力，原因是豎向荷載的存在減小了墻板與框架之間的滑移現(xiàn)象并且使墻板更多參與了結(jié)構的耗能.

圖8 不同軸壓比下帶墻板鋼框架滯回曲線

2.2 跨高比

框架層高取3 m，跨度分別取5.7、5.1、4.5、3.9、3.3 m.首先對空框架進行分析(柱軸壓比取0.5)，對于空框架，在層高不變只改變跨度的情況下其剛度和極限荷載變化較小，原因是框架的剛度主要由柱的剛度決定.圖9所示為不同跨高比情況下帶墻板鋼框架剛度曲線，可以看出，對于帶墻板框架，隨著跨度的增大，墻板數(shù)量也隨之增多，帶墻板鋼框架的剛度及極限承載力都隨之提高.計算結(jié)果見表3，可以看出，隨著跨高比的減小，剛度增大系數(shù)和極限承載力增大系數(shù)基本呈線性變化，跨度對帶墻板框架的極限承載力影響更大.

圖9 不同跨高比下帶墻板鋼框架剛度曲線

表3 不同跨高比計算結(jié)果

取跨度為4.5 m和5.7 m兩種情況，同樣對框架施加水平荷載為150 kN的往復荷載，圖10所示為不同跨度及墻板寬度情況下鋼框架滯回曲線，可以看出，由于跨度較小時，墻板數(shù)量較少導致剛度較小，在相同荷載作用下結(jié)構較早的通過發(fā)展塑性來耗能，因此跨度較小時滯回曲線比較飽滿，而跨度較大時結(jié)構大部分仍處于彈性階段.

圖10 不同跨度及墻板寬度下鋼框架滯回曲線

2.3 墻板寬度

根據(jù)目前工程中實際運用的幾種板材規(guī)格［12］，分別取墻板寬度為 300、420、520、600、700 mm.框架層高同樣為3 m，跨度為4.5 m，軸壓比取0.5.圖11所示為內(nèi)嵌不同寬度墻板鋼框架荷載－位移曲線，可以看出，隨著墻板寬度的增加，帶墻體框架的初始剛度及極限荷載都有所增加.當墻板寬度為300 mm(側(cè)向荷載150 kN)時，單片墻板的剛度較小，所以主要通過墻板之間的相互作用來進行力的傳遞(圖12(a))，在墻板中形成兩條傳力主線，另外，墻板寬度較小時，當框架發(fā)生側(cè)向變形時會有更多的面發(fā)生錯動，整體性較差，因此降低了整體結(jié)構的剛度.而當墻板寬度較大時(如700 mm)，單塊墻板剛度較大，當框架發(fā)生變形時，墻板主要通過單塊墻板對角頂緊來傳力(圖12(b))，并且墻板錯動面較少，墻板整體性較好，因此隨著墻板寬度的增大，結(jié)構整體側(cè)向剛度隨之提高，并且極限承載力也有所提升.不同墻板寬度計算結(jié)果見表4，可以看出，當墻板寬度為700 mm(側(cè)向荷載220 kN)時，初始剛度及承載力增大系數(shù)都達到2.0以上.

表4 不同墻板寬度計算結(jié)果

圖11 內(nèi)嵌不同寬度墻板鋼框架荷載－位移曲線

圖12 不同墻板寬度墻板應力云圖

墻板寬為300 mm和600 mm時框架的滯回性能在圖10中也有所體現(xiàn)，可以看出，兩種寬度的墻板下框架的滯回性能差距較大，墻板寬度為300 mm時，在相同荷載作用下框架的滯回曲線呈飽滿的梭形，原因是結(jié)構通過較大程度的發(fā)展塑形來進行耗能.

2.4 墻板厚度

分別取墻板厚度為 75、100、125、150 mm，框架高度為3 m，跨度為4.5 m，軸壓比為0.5，墻板寬度為600 mm.圖13所示為內(nèi)嵌不同厚度墻板鋼框架荷載－位移曲線，可以看出，隨著墻板厚度的增大，帶墻體框架的初始剛度及極限荷載都有所增加，原因是當墻板厚度增大時，單塊墻板的剛度隨之增大，對角傳力效應更加明顯.計算結(jié)果見表5，當墻板厚度為150 mm時，帶墻板框架初始剛度及極限承載力增大系數(shù)在2.5左右，墻板對結(jié)構的影響不能忽略，當不同地區(qū)采用不同厚度墻板時應采用不同的剛度及極限承載力增大系數(shù).

表5 不同墻板厚度計算結(jié)果

圖13 內(nèi)嵌不同厚度墻板鋼框架荷載－位移曲線

墻板厚度為75 mm和100 mm時框架的滯回曲線見圖14，可以看出，墻板厚度為75 mm時，在相同荷載作用下框架的滯回曲線比較飽滿，原因與墻板寬度較窄時相似，結(jié)構通過較大程度的發(fā)展塑形來進行耗能.

圖14 不同墻板厚度下鋼框架滯回曲線

2.5 開洞形式及面積

以相關建筑規(guī)程為依據(jù)在原模型(層高3 m，跨度4.5 m，軸壓比0.5，墻板寬600 mm)基礎上建立帶門洞和窗洞8個模型，洞口布置及尺寸見圖15及表6，前4種模型為門洞模型，后4種模型為窗洞模型.

圖15 洞口布置形式

表6 洞口尺寸

圖16所示為帶門洞框架荷載－位移曲線，可以看出，對于門洞(開洞1～4)，其承載力和初始剛度基本一致，原因是4種情況下洞口均位于框架中部，并且最大寬度和最小寬度差距較小，洞口僅對中部兩塊墻板的完整性造成了破壞，而當框架發(fā)生變形使墻板對角頂緊時，主要受力部位為靠近框架柱的兩塊墻板，對于承載力和剛度的貢獻也主要來自這兩塊墻板，圖17(a)所示為開洞1模型的墻板應力云圖，可以看出，靠近柱的兩塊墻板應力較大.窗洞(開洞5～8)情況與帶門洞框架相似.

圖16 帶門洞框架荷載－位移曲線

以上均是在完整的墻板上直接開洞后進行分析，因此在開洞情況下其承載力和剛度必然會有所降低.而實際工程中均需對洞口進行加固.鑒于此，本文在已有洞口的基礎上選取與實際工程中相同的角鋼對洞口周邊進行加固.建模時，在洞口四邊用梁單元來模擬角鋼，模型中采用耦合3個方向自由度的方法來模擬墻板與角鋼間的鉚釘連接.加固后的墻體由于角鋼的存在較大程度限制了墻體的變形和裂縫的提早出現(xiàn)，由圖17(b)可以看出，墻板傳力路徑發(fā)生明顯變化，墻板應力集中部位由洞口角部轉(zhuǎn)移到了離洞口較遠的墻板上，洞口周邊墻板產(chǎn)生了較大應力.圖18所示為洞口加固前后鋼框架荷載－位移曲線，可以看出，洞口加固后結(jié)構承載力和剛度都有較大提高，與不開洞的情況相近.因此，在工程設計時，對于位于框架中部并且尺寸較小的加固洞口可不考慮洞口對整體結(jié)構剛度和承載力的削弱作用.

圖17 開洞1加固前后墻板應力云圖

圖18 洞口加固前后鋼框架荷載－位移曲線

3 結(jié)論

1)對于內(nèi)嵌圍護墻體鋼框架協(xié)同作用分析的有限元模型，鋼框架采用實體單元，墻板采用混凝土單元，墻板節(jié)點采用彈簧單元，墻體與框架之間的相互作用采用接觸單元可有效模擬實際結(jié)構的受力性能.

2)當軸壓比從0增大到0.6時，空框架極限承載力減小30%左右.但對帶墻體鋼框架極限承載力的影響可以忽略.設計過程中若考慮圍護墻體的作用，則對于不同大小的豎向荷載，應采用不同的側(cè)向剛度增大系數(shù)和承載力增大系數(shù)進行剛度和承載力調(diào)整.

3)對于空框架當層高不變而跨度變化時，側(cè)向剛度和極限承載力基本保持不變.而帶墻板鋼框架當跨度達到5.7 m時，側(cè)向剛度及承載力增大系數(shù)可達到2.0以上.設計過程中應根據(jù)不同跨度采用不同的增大系數(shù).

4)所采用的分塊墻板寬度越大，其對鋼框架的側(cè)向剛度及承載力貢獻越多.建議工程優(yōu)先選用600 mm寬墻板，對結(jié)構剛度及承載力的影響適中.

5)當墻板厚度大于100 mm時，帶墻板鋼框架側(cè)向剛度及承載力增大系數(shù)均達到2.0以上，不同地區(qū)選用不同厚度墻板時，應采用不同大小的增大系數(shù).

6)位于框架中間位置不同尺寸的洞口當其對墻板完整性破壞程度相當時，洞口對整體結(jié)構的剛度及承載力削弱程度相近.位于框架中部且尺寸較小的墻體洞口進行加固后洞口對框架整體剛度及承載力影響較小，設計時可不考慮洞口的影響.

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