分析填充墻鋼框架結(jié)構(gòu)的受力情況

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用已經(jīng)有一定的時(shí)間，技術(shù)上也越來(lái)越成熟。在填充墻鋼框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，缺少對(duì)抗側(cè)力構(gòu)建的研究。我國(guó)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面缺少專(zhuān)門(mén)的規(guī)范研究，也沒(méi)有考慮到具體的砌體填充墻對(duì)鋼框架抗側(cè)力的貢獻(xiàn)。在實(shí)際的受力過(guò)程中，砌體填充墻與鋼框架之間存在一定的偶聯(lián)作用，所以與純鋼框架結(jié)構(gòu)有所不同，研究其受力情況和承載能力對(duì)建筑工程施工來(lái)說(shuō)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：填充墻；鋼框架；受力情況；

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2015）-03-00-01

一、三維非線性有限元受力情況分析

有限元思想是一種廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)分析領(lǐng)域的現(xiàn)代計(jì)算分析方法。通過(guò)有限元思想的不斷擴(kuò)展，在材料和建筑領(lǐng)域也有了更好的應(yīng)用。在研究填充墻鋼框架結(jié)構(gòu)受力情況時(shí)，只要將對(duì)象結(jié)構(gòu)分解成有限單元，就可以利用有限元得到精確的實(shí)際結(jié)果。

在運(yùn)用有限元分析填充墻鋼框架結(jié)構(gòu)的受力情況時(shí)，選取有限元方程非常重要。目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中使用較多的有限元方程有SAPIV、ADINA、和ANSYS等，其中ANSYS作為主要的分析工具更加便捷，ANSYS程序具有以下特點(diǎn)：

（一）能夠應(yīng)用于更多的結(jié)構(gòu)分析，使用起來(lái)不需要過(guò)多的知識(shí)準(zhǔn)備。

（二）ANSYS對(duì)于數(shù)據(jù)的處理效率較高，通過(guò)高效的算法能夠大大提高得到結(jié)論的準(zhǔn)確性。

（三）在進(jìn)行有限元分析的過(guò)程中，填充墻鋼框架結(jié)構(gòu)具有較多的有限元類(lèi)型，應(yīng)用ANSYS能夠滿(mǎn)足更高的運(yùn)算要求。

（四）前、后處理功能強(qiáng)大，對(duì)于分析前后的工作有很好的適應(yīng)性。

有限元模擬分析在實(shí)際的應(yīng)用中，首先要對(duì)材料的特性和有限元類(lèi)型進(jìn)行選擇，對(duì)于鋼材特性可以認(rèn)為材質(zhì)是均勻的，焊接外應(yīng)力-應(yīng)變曲線是相同的，不考慮處理工藝對(duì)剛才性能的影響，鋼材應(yīng)當(dāng)具有各向同性。利用ANSYS程序提供的多種模型，經(jīng)典雙線性屈服準(zhǔn)則，填充墻和鋼框架之間利用三維面-面 接觸單元進(jìn)行分析，用剛性面來(lái)模擬目標(biāo)面，用柔性面模擬接觸面，建立一個(gè)接觸單元的常信號(hào)。

ANSYS通過(guò)多種求解器建立有限元分析方程組，所得結(jié)果是節(jié)點(diǎn)的自由度，再?gòu)墓?jié)點(diǎn)深入得到單元的解。采用直接消去求解器適應(yīng)分析穩(wěn)定性線性分析。ANSYS通過(guò)力、位移和兩者的關(guān)系，來(lái)判斷結(jié)果收斂性。一般情況應(yīng)用力的收斂準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)控制即可。循環(huán)負(fù)載則采用同步法進(jìn)行求解，每一個(gè)負(fù)載一個(gè)文件，最終全部求解，每一步的過(guò)程寫(xiě)入結(jié)果保證循環(huán)負(fù)載的全面分析和具體指標(biāo)相應(yīng)。

二、填充墻鋼框架有限元模型建立

（一）材料性能指標(biāo)選擇。鋼梁、鋼柱和加勁肋都采用Q235剛才，單向拉伸具有明顯的屈服平臺(tái)，而在循環(huán)負(fù)載下沒(méi)有明顯的屈服平臺(tái)。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以取極限荷載點(diǎn)與屈服點(diǎn)斜率來(lái)強(qiáng)化模量。

（二）填充墻材料指標(biāo)選擇?；灸Ｐ涂梢赃x擇多孔磚，不使用粘土更方便堆砌和處理，工作效率比較高，而且多孔磚的結(jié)構(gòu)使其具有良好的散熱性能，強(qiáng)度和承載能力都比較理想，密度較低提高了墻體的整體性。

（三）接觸的生成。接觸問(wèn)題的建模要對(duì)模型中相互接觸的部分進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)中相互作用的地方對(duì)應(yīng)于模型中的節(jié)點(diǎn)，如果是接觸面則對(duì)應(yīng)于模型中的單元，有限單元模型就是通過(guò)對(duì)接觸單元來(lái)分析實(shí)際的接觸情況。填充墻和鋼框架之間依靠砂漿粘結(jié)，作用力會(huì)通過(guò)粘合傳遞，沒(méi)有特別的拉結(jié)裝置在模型中則可以利用面和面的接觸代替砂漿的粘結(jié)作用，借助摩擦力來(lái)模擬相應(yīng)的粘結(jié)效應(yīng)。

（四）負(fù)載位移曲線和滯回曲線。單一負(fù)載作用下，負(fù)載小于856kN時(shí)處于彈性階段，鋼框架承受負(fù)載到達(dá)856kN時(shí)位移17mm，并且墻體開(kāi)始出現(xiàn)裂成。墻體屬于斷裂則無(wú)法繼續(xù)使用的材料，但是鋼框架結(jié)構(gòu)的耦合作用使得墻體在發(fā)生斷裂后依舊能夠配合鋼框架提供一定的抗側(cè)力。當(dāng)?shù)竭_(dá)承載力極限1378kN時(shí)，位移高達(dá)47mm，負(fù)載繼續(xù)增加時(shí)鋼框架進(jìn)入塑性階段，已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)提供抗側(cè)力，位移增加和承載能力開(kāi)始下降。在循環(huán)負(fù)載作用下，滯回曲線呈現(xiàn)較為平滑的拱形，捏縮現(xiàn)比較明顯，在水平和垂直負(fù)載的共同作用下，填充墻變形出現(xiàn)了滑動(dòng)位移，而且負(fù)載越大滑動(dòng)位移就越明顯。

三、填充墻鋼框架結(jié)構(gòu)受力情況總結(jié)

通過(guò)上述對(duì)填充鋼框架結(jié)構(gòu)的受力情況的分析，我們可以得到以下幾條結(jié)論：

（一）填充墻鋼架結(jié)構(gòu)在水平負(fù)載的作用下，砌體填充墻相當(dāng)于斜壓支撐桿，填充墻和鋼框架結(jié)構(gòu)相互耦合作用，協(xié)調(diào)負(fù)載帶來(lái)的形變，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的斜向水平位移進(jìn)行支撐和約束，大大增強(qiáng)了鋼框架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和水平承載能力。

（二）從填充墻鋼框架結(jié)構(gòu)的滯回曲線比較飽滿(mǎn)，鋼框架結(jié)構(gòu)與多孔磚填充墻的結(jié)合，使得整體的耗能性能比較突出，在循環(huán)負(fù)載的作用下有更強(qiáng)的適用性。

（三）水平復(fù)雜是填充墻的裂縫主要是沿對(duì)角線展開(kāi)的，而對(duì)角線以外的部分等效應(yīng)力比較小，處在可以接收的水平范圍，這就說(shuō)明填充墻鋼框架結(jié)構(gòu)的斜向支撐能力非常強(qiáng)。

（四）地震橫波和縱波會(huì)首先破壞填充墻，而填充墻吸收了大量的地震波能力，整體結(jié)構(gòu)的剛度大大下降，但作為主要受力結(jié)構(gòu)的鋼框架結(jié)構(gòu)仍然可以繼續(xù)支撐負(fù)載，在抗震建筑中很好的充當(dāng)了第二道防線。

（五）結(jié)構(gòu)滯回性能和承載能力還受到填充墻洞口大小的影響，尤其是底層填充墻的開(kāi)動(dòng)情況。隨著開(kāi)洞規(guī)模的增加，整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力水平下降，從滯回曲線可以看出更加飽滿(mǎn)的趨勢(shì)，捏縮現(xiàn)象減弱，整體更具延展性，耗能性能也更接近純鋼框架結(jié)構(gòu)。

（六）鋼框架結(jié)構(gòu)的高度和寬度的比值越小，也就是框架的跨度增加，鋼框架結(jié)構(gòu)的最大承載能力越來(lái)越高，延展性越來(lái)越低，滯回曲線趨于非飽滿(mǎn)狀態(tài)，捏縮現(xiàn)象也越來(lái)越明顯，鋼框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不明顯，抗震能力大大下降。

（七）不同的填充墻材料對(duì)整體結(jié)構(gòu)的受力性能影響非常大，多孔磚墻體的承載力和剛度都比較大，相比之下粉煤灰砌塊磚則顯得略有不足，延展性和剛度也比較小。相應(yīng)的，混凝土結(jié)構(gòu)承載力和延展性都優(yōu)于多孔磚墻體，但是明顯的剛度較低，所以在不同的使用情況下，選擇不同的填充墻體，配合鋼框架結(jié)構(gòu)，才能達(dá)到最優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能。

四、總結(jié)

本文采用非線性有限元理論對(duì)填充墻鋼框架結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行了分析，利用ANSYS對(duì)單一負(fù)載和循環(huán)負(fù)載條件下的受力性能進(jìn)行分析，通過(guò)滯回曲線對(duì)受力情況進(jìn)行了全面的研究。填充墻鋼框架結(jié)構(gòu)在受力情況下的形變，考慮到該結(jié)構(gòu)其他因素對(duì)受力情況的影響，今后還將考慮更多自變量條件下的研究。