開洞填充墻鋼框架抗震性能分析

田金 馬林 王堃

(長安大學建筑工程學院，西安 710061)

鋼結(jié)構(gòu)住宅中的填充墻作為實際工程中最常見的“非結(jié)構(gòu)”構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時往往不考慮其對側(cè)向剛度的貢獻，但實際上其作為結(jié)構(gòu)體系的一部分仍參與了地震剪力分配，并與整體框架結(jié)構(gòu)之間協(xié)同工作。另外，由于門窗設(shè)置的要求需要開洞，而洞口的存在也會對填充墻有一定影響。在設(shè)計中若不考慮上述因素，而只是把填充墻作為單純的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件看待，則導致結(jié)構(gòu)的設(shè)計意圖與實際的受力情況產(chǎn)生較大的偏差，降低了結(jié)構(gòu)在地震中的安全系數(shù)。近年來，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論取得了較大進展，國內(nèi)外學者針對圍護結(jié)構(gòu)對鋼框架整體受力性能的影響展開了一系列研究［1-4］，但對開洞填充墻鋼框架結(jié)構(gòu)承載性能和抗震性能的研究還十分有限［5］，因此其受力機理、承載力及抗震方面的研究意義重大。本文通過ANSYS有限元軟件建立6個足尺模型，深入研究開洞尺寸和位置等因素對填充墻鋼框架力學性能的影響規(guī)律，并提出初步的設(shè)計建議，對推動鋼結(jié)構(gòu)住宅體系產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有重要的意義。

1 有限元模型驗證

根據(jù)武漢理工大學管克儉博士的試驗［6］中的填充墻鋼框架試件為原型建立有限元模型。有限元模型中鋼框架采用二十節(jié)點的SOLID95單元模擬，填充墻采用八節(jié)點SOLID65實體單元模擬，填充墻體與鋼框架之間的粘結(jié)作用通過TARGE170和CONTA174單元的面面接觸來模擬，屈服硬化準則選用von-mises屈服準則和隨動硬化法則。為保證有限元模型邊界條件與試驗邊界條件一致，約束柱腳所有方向的位移，水平荷載通過位移的方式施加在頂層梁對應的外側(cè)柱面的耦合節(jié)點上，再對底層框架梁的平面外方向的位移進行約束，防止其側(cè)向失穩(wěn)。另外，進行結(jié)構(gòu)非線性求解時，為了保證結(jié)果的準確性，打開大變形及應力剛化效應，平衡方程的求解方法采用稀疏矩陣直接法(SPARSE)。有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果對比見圖1。

圖1 試驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果對比圖

有限元分析結(jié)果和試驗結(jié)果均出現(xiàn)明顯的捏攏現(xiàn)象，只是在反向加載時，有限元分析結(jié)果較試驗的滯回性能稍強，這主要是由于有限元建模時，填充墻體采用的是整體式模型，沒有考慮塊體與砂漿之間的粘結(jié)現(xiàn)象，使得有限元分析的滯回性能較好。總體而言，本文建立的ANSYS有限元模型能夠較好地模擬實際模型在循環(huán)荷載作用下的受力性能。

2 有限元模型建立

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)和《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ99-98)的相關(guān)規(guī)定，設(shè)計一個7層粉煤灰砌體填充墻鋼框架結(jié)構(gòu)，依據(jù)該工程實例的計算結(jié)果，確定基本模型KJ-0試件，并以其為基礎(chǔ)通過改變洞口位置和尺寸設(shè)計出5個衍生模型。為了避免縮尺模型所產(chǎn)生的一些不利影響，本文所建立的模型均是以該工程實例的計算結(jié)果為基礎(chǔ)的足尺模型，模型的幾何尺寸及立面形狀如圖2所示。鋼框架梁、柱的截面尺寸分別為:300 mm×300 mm×10 mm×12 mm和400 mm×400 mm×12 mm×20 mm，填充墻嵌于鋼框架內(nèi)部，填充墻的尺寸為:6 200 mm×2 700 mm×200 mm。

圖2 試件的幾何尺寸

表1 模型參數(shù)

實體填充墻鋼框架KJ-0的有限元模型如圖3所示，梁柱材料均選用Q235，鋼材的應力應變曲線采用長安大學盧林楓副教授試驗中的鋼材材性，應力應變關(guān)系見表2。填充墻材料選用蒸壓粉煤灰磚，其標稱尺寸為240 mm×115 mm×53 mm，通過文獻［7］的方法確定出蒸壓粉煤灰磚的抗壓強度平均值，蒸壓粉煤灰磚砌體的本構(gòu)關(guān)系見表3。

表2 鋼材應力應變關(guān)系

表3 蒸壓粉煤灰磚砌體的應力應變關(guān)系

3 開洞填充墻鋼框架受力性能分析

3.1 極限承載力

有限元分析結(jié)果的相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。填充墻體洞口的存在降低了整個結(jié)構(gòu)的承載能力，但是洞口位置的改變以及洞口大小的變化對結(jié)構(gòu)的承載能力有不同的影響。

僅考慮洞口位置改變時，KJ-2的極限承載力雖然小于KJ-1的極限承載力，但兩者變化不大，而KJ-3的承載力較前兩者降低很多。這主要是由于KJ-3模型洞口緊貼左柱，導致填充墻體與鋼框架之間的摩擦面減小，降低了填充墻與鋼框架之間協(xié)同工作的性能，嚴重影響了其承載力。填充墻體中洞口位置的改變對開洞填充墻僅考慮洞口尺寸的變化時，對比 KJ-0、KJ-1、KJ-4、KJ-5 的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，隨著開洞面積的增大，結(jié)構(gòu)的承載力不斷下降，填充墻體對鋼框架的支撐作用逐漸降低，鋼框架對鋼框架的極限承載能力有一定的影響，但影響程度不及填充墻體與鋼框架的接觸面積的改變大。

墻體的約束作用也逐漸下降，開洞填充墻與鋼框架整體的協(xié)同工作性能下降。KJ-1模型的開洞率為12%，極限承載力下降為未開洞KJ-0模型的70.5%，KJ-4模型的開洞率為25%，極限承載力降為KJ-0模型的67.8%，開洞率達到52%的KJ-5模型極限承載力下降最為嚴重，僅為KJ-0模型的58.5%。

表4 循環(huán)荷載作用下試件的力學性能

3.2 滯回性能

模型在低周反復荷載作用下的滯回曲線見圖3。填充墻洞口的存在一定程度上削弱了框架的承載能力，也影響了結(jié)構(gòu)的滯回性能，耗能能力也出現(xiàn)了下降。

由圖3(b)、(c)、(d)可知，當只考慮洞口位置的影響時，模型的滯回曲線均呈現(xiàn)出比較典型的反S形，說明模型存在明顯的捏縮效應，填充墻與鋼框架之間存在明顯的滑移現(xiàn)象。KJ-1模型和KJ-2模型的滯回曲線相似，而KJ-3模型則與前兩者有較大不同。KJ-3模型受到水平推力時的承載力要遠大于受到水平拉力時的承載力，這是因為KJ-3模型的洞口緊貼左柱且位于柱下端，在受到水平拉力時，除了對角線范圍內(nèi)墻體的削弱降低了承載力外，填充墻體與鋼框架之間接觸面積的減小也影響兩者之間的協(xié)同工作性能;因此，應該盡量避免洞口緊貼鋼柱的情況出現(xiàn)，這會極大地降低結(jié)構(gòu)的抗震性能。

對比圖3(a)、(b)、(e)、(f)的滯回曲線可以看出，當只考慮洞口尺寸的影響時，模型的滯回曲線除了極限承載力逐漸降低之外，同時存在明顯的滑移現(xiàn)象，滯回曲線呈反S形，但開洞率達到52%的KJ-5模型的滯回曲線則呈紡錘形。由此可知，隨著開洞率的增大，滯回曲線有逐漸發(fā)展成為紡錘形的趨勢。這是由于隨著開洞面積的不斷增大，填充墻對結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度貢獻越來越小，整個結(jié)構(gòu)的受力情況越來越接近純鋼框架模型，即承載力逐漸減小，而延性則得到了提高。

3.3 耗能能力

耗能能力是結(jié)構(gòu)抗震性能的一項重要指標。結(jié)構(gòu)的耗能能力以結(jié)構(gòu)在低周反復荷載作用下的滯回環(huán)所包圍的面積來度量。根據(jù)《建筑抗震試驗方法規(guī)程》(JGJ101-96)的規(guī)定，通過定義的能量耗散系數(shù)E來反映結(jié)構(gòu)的耗能能力，試件的耗能能力見表5。

在低周反復荷載作用下，填充墻開洞會導致結(jié)構(gòu)耗能能力的變化，具體來講，其中KJ-1模型下降程度最小，KJ-3次之，KJ-2最大，這主要是因為洞口位置的改變一方面削弱了對角線區(qū)域內(nèi)的填充墻體面積，另一方面加劇了填充墻體的應力集中現(xiàn)象，最終導致開洞模型的耗能能力普遍下降。

對比不同開洞率模型的耗能系數(shù)可知，當開洞位置一定時，模型的耗能能力隨著洞口面積的增大而增大，這主要是由于洞口面積越大，填充墻體對整個框架體系的影響就越小，結(jié)構(gòu)的變形和耗能能力逐漸趨近于純框架。

圖3 試件滯回曲線

表5 模型耗能能力

4 結(jié)論

本文通過ANSYS有限元軟件建立鋼框架模型，并與試驗結(jié)果進行對比，驗證了有限元模型的正確性。通過改變洞口位置及尺寸，建立了6個足尺開洞粉煤灰砌體填充墻鋼框架模型，研究了開洞填充墻鋼框架在低周反復荷載作用下的極限承載能力及抗震性能，得出了以下結(jié)論:

(1)門窗洞口的存在對結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能有很大影響。填充墻鋼框架開洞后其承載力明顯降低，抗震性能也有一定降低，但隨著開洞面積的增加鋼框架的延性有所改善。

(2)填充墻體中洞口位置的改變對開洞填充墻鋼框架的極限承載能力有一定的影響，但影響程度不及填充墻體與鋼框架的接觸面積的影響顯著。當門洞口位于柱端時，由于填充墻體與鋼框架接觸面積的減小，結(jié)構(gòu)的承載能力明顯下降，延性性能劣化明顯，因此，應盡量避免洞口位于柱端的情形。

(3)當洞口位置一定時，隨著洞口面積的不斷增加，開洞填充墻與鋼框架整體協(xié)同工作性能逐漸降低。因此，隨著洞口面積的增大，結(jié)構(gòu)的極限承載力減小，但結(jié)構(gòu)的延性卻得到改善，結(jié)構(gòu)的變形和耗能能力均得到提高。因此，在填充墻鋼框架設(shè)計時，應綜合考慮其洞口尺寸對結(jié)構(gòu)承載力和抗震性能的影響。

(4)本文研究中只考慮了填充墻與鋼框架的組合作用，對于其他構(gòu)件，如現(xiàn)澆樓板的組合作用對結(jié)構(gòu)體系的影響，還有待進一步研究。

［1］劉玉姝，李國強.帶填充墻鋼框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)力性能試驗及理論研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學報，2005，26(3):78-84.

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［5］崔名相，陳向榮，周劍，等.填充墻開洞情況對填充墻-鋼框架受力性能影響的研究［J］.河南建材，2010(4):42-43.

［6］管克儉.鋼結(jié)構(gòu)住宅抗側(cè)力體系試驗研究與非線性分析［D］.武漢:武漢理工大學，2003.

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