連接方式對填充墻平面外性能的數(shù)值模擬分析

孟龍飛，葉燕華，2，周小方，郝杰，方愛斌

（1．南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京　211800；

2．江蘇省綠色建筑工程技術(shù)研究中心，江蘇南京　210009）

連接方式對填充墻平面外性能的數(shù)值模擬分析

孟龍飛1，葉燕華1，2，周小方1，郝杰1，方愛斌1

（1．南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京211800；

2．江蘇省綠色建筑工程技術(shù)研究中心，江蘇南京210009）

為了研究填充墻和框架之間的連接方式對填充墻的平面外性能的影響，通過利用ABAQUS結(jié)構(gòu)非線性軟件建立5種不同連接方式的模型，模擬填充墻在平面外力作用下的破壞模式，分析不同模型的荷載位移曲線以及等效塑性應(yīng)變。研究結(jié)果表明：在框架填充墻倒塌破壞中平面外力的影響很大，因此平面外受力越大，墻體可能產(chǎn)生的塑性變形和破壞程度越大；填充墻的平面外承載力也隨著填充墻與框架梁、柱的剛性連接而加強(qiáng)，從而保證結(jié)構(gòu)整體的承載力和塑性變形能力。

填充墻；平面外性能；連接方式；數(shù)值模擬

以往的震害中，填充墻都出現(xiàn)了復(fù)雜的倒塌破壞現(xiàn)象，這些現(xiàn)象引起了廣泛關(guān)注，通過大量的試驗(yàn)主要研究了填充墻對平面內(nèi)剛度、承載力和耗能的影響等。實(shí)際上，平面外破壞比平面內(nèi)破壞更容易發(fā)生［1-2］。在汶川地震中，大部分框架填充墻結(jié)構(gòu)雖沒出現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)的破壞，但是有大量墻體開裂，砌塊脫落，墻體平面外傾斜或倒塌，甚至整片甩出［3］。就是這種填充墻與框架拉接失效的情況造成了嚴(yán)重的損失。

為了研究建筑的框架填充墻在平面外力作用下的破壞模式和承載能力，通過考察填充墻與框架不同的連接方式對其平面外承載力的影響，對比分析得到影響填充墻平面外承載力的主要規(guī)律，從而找到提高填充墻平面外承載力的措施和方法。但是，填充墻平面外試驗(yàn)研究會(huì)消耗大量的人力、物力和財(cái)力，試驗(yàn)的過程也比較復(fù)雜［4］，利用有限元軟件對其進(jìn)行數(shù)值模擬分析可以最大程度的減少資源的消耗。因此，選擇了單層單跨框架的填充墻模型，應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件模擬填充墻在平面外力作用下的破壞模式，研究其平面外受力性能。

1　模型的建立

1.1框架填充墻的有限元模擬

鋼筋混凝土是應(yīng)用非常廣泛的結(jié)構(gòu)類型，并且混凝土結(jié)構(gòu)的材料特性和力學(xué)性能研究較成熟，這為有限元數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ)。本文對鋼筋混凝土框架采用分離式建模的方法［5］，分離式方法鋼筋模型和混凝土模型同時(shí)分開建立，這樣方便考慮鋼筋和混凝土之間可能存在的滑移以及不規(guī)則的變形。為了分析簡便，建立的模型忽略鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移。

本文對于填充墻主要采用整體式方法進(jìn)行建模。由于要研究填充墻平面外承載力和地震作用，墻體容易發(fā)生位移，若采用分離式建模方法，砌塊單元之間的錯(cuò)動(dòng)容易使計(jì)算收斂困難，而且使用分離式模型計(jì)算量較大，成本也會(huì)增大。通過驗(yàn)證，整體式建模的計(jì)算方法也能較準(zhǔn)確地反應(yīng)墻體平面外受力性能。

1.2模型參數(shù)及材料特性

本文選取單層單跨框架填充墻模型，主要考慮框架梁柱與填充墻的邊界連接對填充墻平面外承載力的影響，框架柱的截面尺寸為500 mm×500 mm，框架梁的截面尺寸為400 mm×500 mm，填充墻的砌塊類型是普通混凝土小型砌塊，主砌塊的尺寸為390 mm×190 mm×190 mm，輔助砌塊尺寸為190 mm×190 mm×190 mm，具體建模如圖1所示。

圖1　整體式建模示意

建立模型時(shí)框架梁、柱及墻板均選擇實(shí)體單元，定為變形體。由于要考慮砌體填充墻在平面外力作用下的破壞問題，所以要研究砌體的非線性和與框架接觸非線性問題，框架梁、柱和墻板均設(shè)定為彈塑性本構(gòu)?？蚣芰骸⒅幕炷翉?qiáng)度等級為C30，砌塊的強(qiáng)度等級為MU7.5，砂漿的強(qiáng)度等級為MB5，框架梁柱主筋鋼筋等級為HRB335，具體見表1。其它材料的相關(guān)參數(shù)分別按照GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范》和GB 5003—2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》得到，并由規(guī)范計(jì)算得到砌體的抗壓強(qiáng)度。

表1　材料的特性參數(shù)

1.3填充墻和框架之間的連接

填充墻和框架之間的界面相互作用很復(fù)雜，本文在ABAQUS軟件中主要基于面接觸模擬框架填充墻之間的連接關(guān)系。砌體填充墻和框架梁、柱邊緣之間的連接方式主要有5種模型。模型1為填充墻底部和框架梁剛接，與框架柱和頂梁無連接，這種情況與實(shí)際工程不符，僅為了對比分析考慮。模型2為填充墻與頂梁、底梁硬接觸和受到摩擦約束作用，與柱無連接作用。模型3為填充墻與框架柱均剛性連接，與底梁和頂梁均無連接約束，這種情況也與實(shí)際工程不符，僅作為對比分析。模型4為填充墻與頂梁無連接約束作用，和框架柱及底梁剛接，這種情況類似于填充墻和框架頂梁使用斜砌頂緊而無拉結(jié)筋的連接方式。模型5是填充墻和框架梁柱均剛性連接的連接約束。在工程施工過程中，砌筑時(shí)大多在墻體頂部和梁用砌塊進(jìn)行斜砌頂緊，設(shè)置拉結(jié)筋，用混凝土填實(shí)，保證梁與墻體之間的連接趨于剛性；柔性連接時(shí)框架梁和填充墻頂部之間采用拉筋分段連接；完全脫開時(shí)框架梁或柱和填充墻之間無連接作用。本文主要選擇了拉結(jié)筋連接和軟件中粘性接觸作為簡化填充墻與框架之間的連接方式，通過設(shè)置粘性接觸系數(shù)模擬框架與墻體間不同的連接強(qiáng)度。

1.4加載方式的模擬

通過軟件計(jì)算得到平面外極限均布荷載，為了得到相對精確的荷載值，本文采用2個(gè)荷載步加載的方式模擬試驗(yàn)中的分級加載，首先考慮重力的作用，再對模型墻面作平面外均布荷載分析，荷載子步取0.01 kPa。由于增量步通過力的增長控制，無法得到平面外均布荷載-墻面中點(diǎn)位移曲線的下降段。

2　模擬結(jié)果與分析

2.1荷載位移曲線對比

圖2列出了在不同連接約束情況下，填充墻的平面外均布荷載-墻面中點(diǎn)位移曲線，通過對比可以得到：模型1填充墻的承載力最低，模型5填充墻的平面外承載力最高，模型3填充墻的平面外承載力次之，模型4與框架柱和底梁有連接作用的填充墻承載力小于模型2的承載力，此現(xiàn)象是因?yàn)槟Ｐ椭刑畛鋲﹂L高比為1.3，墻體豎向的約束作用較強(qiáng)，所以填充墻豎向受彎的極限承載力比水平受彎的填充墻平面外承載力強(qiáng)。

圖2　邊界約束不同的填充墻荷載-位移曲線

由以上對比分析可以得到：填充墻的連接條件對填充墻平面外的承載力影響較大，模型1、模型2、模型3、模型4和模型5填充墻的最大平面外承載力分別為7.35、25.49、13.58、21.92和53.32 kPa。所以本模型中，填充墻與框架梁柱均設(shè)置連接時(shí)平面外承載力最強(qiáng)，其次是與框架梁連接，形成拱承載機(jī)制，墻體豎向受彎的填充墻，而水平受彎和豎向受彎的承載力大小主要取決于填充墻長高比大小。

2.2破壞模式和等效塑性應(yīng)變對比

圖3和圖4分別為在不同連接方式下填充墻的平面外破壞模式及填充墻的等效塑性應(yīng)變分布。

圖3　5種模型填充墻的破壞模式和屈服線模式

從圖3可以看出，不同邊界連接條件的填充墻平面外破壞模式有很大的區(qū)別：模型1填充墻發(fā)生豎向類似懸臂梁的彎矩，在中部以下容易出現(xiàn)水平裂縫，雖可以避免剛度效應(yīng)和約束效應(yīng)的發(fā)生，但抗彎能力極差，所以填充墻需要和框架之間設(shè)置有效的連接；模型2和模型3是豎向受彎和水平受彎的填充墻，在填充墻中部附近容易產(chǎn)生水平和豎向裂縫；模型4是填充墻與框架柱柔性連接，與頂梁脫開，受三邊約束的填充墻容易在頂部中間位置出現(xiàn)裂縫，而且裂縫向下傾斜發(fā)展；模型5填充墻邊界均受到約束，在受平面外荷載時(shí)，填充墻中部會(huì)出現(xiàn)較多的裂縫，且向填充墻4個(gè)角部發(fā)展。通過比較填充墻破壞機(jī)制和屈服線模式，可以有效預(yù)測不同連接的填充墻平面外倒塌破壞的形式，也得到采用有限元軟件計(jì)算模擬的可靠性。

圖4　不同連接的模型等效塑性壓應(yīng)變對比

從圖4可以看出，不同邊界連接條件下，填充墻等效塑性壓應(yīng)變的分布和大小有較大的區(qū)別：模型1填充墻主要集中在填充墻底部附近的受彎破壞；模型2填充墻主要是墻頂和墻底受到框架約束，其破壞主要集中在墻框接觸位置的附近和填充墻中部；模型3填充墻破壞原理和模型2類似，只是主要在框架柱附近與墻接觸處、填充墻豎向中部出現(xiàn)塑性應(yīng)變；模型4中填充墻與柱、底梁剛性連接，非加載的一側(cè)填充墻出現(xiàn)受壓塑性變形，填充墻和柱的接觸位置上角部出現(xiàn)較大的塑性應(yīng)變；模型5中填充墻受壓破壞除了在墻框部位接觸處比較明顯，填充墻本身出現(xiàn)了塑性受壓變形，變形區(qū)域較大。

圖5為5種模型框架構(gòu)件中等效塑性壓應(yīng)變對比。

圖5　5種模型框架構(gòu)件中等效塑性壓應(yīng)變對比

從圖5可以看出，隨著連接條件的改變，框架的邊緣受拉和受壓破壞程度逐漸改變，模型1的框架基本沒有受拉和受壓破壞，其它模型中框架的塑性應(yīng)變主要出現(xiàn)在與填充墻接觸的框架梁柱內(nèi)側(cè)，而且隨著填充墻和框架之間的連接約束增多，填充墻的平面外承載力增大，框架出現(xiàn)塑性應(yīng)變的范圍也增大，模型5的框架出現(xiàn)塑性應(yīng)變部分最多。

3　結(jié)論

（1）若框架填充墻之間有效連接，填充墻邊緣受到框架的有效約束，能使填充墻體產(chǎn)生拱效應(yīng)，提高了墻體平面外強(qiáng)度及抗側(cè)能力。若填充墻與框架無連接，雖然可以避免剛度效應(yīng)和約束效應(yīng)的發(fā)生，但是填充墻容易發(fā)生豎向類似懸臂梁的擺動(dòng)，所以抗彎能力極差的懸臂梁很難承受這樣的擺動(dòng)。

（2）填充墻和框架梁、柱都設(shè)置剛性連接，填充墻的邊緣受到框架梁、柱的良好摩擦約束和連接作用，填充墻出現(xiàn)最大塑性應(yīng)變時(shí)，平面外承載力最大，填充墻與框架梁柱間均剛性連接能夠更有效地限制填充墻平面外和平面內(nèi)的受力破壞，減少了填充墻對框架梁柱的不利影響，明顯增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的塑性變形能力。

（3）分析比較模型1～模型5的模擬承載力結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平面外力對框架填充墻倒塌破壞影響較大，平面外受力越大，墻體可能產(chǎn)生的塑性變形和破壞程度越大；填充墻與框架梁剛性連接，或與框架柱的剛性連接都加強(qiáng)了填充墻的平面外承載力，能夠保證結(jié)構(gòu)整體的承載力和塑性變形能力。

［1］黃靚，施楚賢，熊輝.帶砌體填充墻結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性質(zhì)疑［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2005，35（3）：57-60.

［2］黃苗.填充墻對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的影響［D］.長沙：湖南大學(xué)，2006.

［3］葛海蓉，葉燕華，彭程，等.連接條件對填充墻倒塌影響的數(shù)值模擬分析［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，34（6）：136-140.

［4］周小方.地震作用下框架填充墻平面外響應(yīng)數(shù)值模擬分析［D］.南京：南京工業(yè)大學(xué)，2014.

［5］馮學(xué)剛，戴君武，王艷茹．基于有限元軟件ABAQUS的砌體構(gòu)地震破壞模擬［C］//低碳經(jīng)濟(jì)與土木工程科技創(chuàng)新.2010中國（北京）國際建筑科技大會(huì)論文集．北京：科學(xué)出版社，2010：195-200．

Numerical simulation and analysis of out-of-plane behavior for filler wall under different connecting ways

MENG Longfei1，YE Yanhua1，2，ZHOU Xiaofang1，HAO Jie1，F(xiàn)ANG Aibin1
（1.College of Civil Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 211800，Jiangsu，China；
2.Jiangsu Green Building Research Center，Nanjing 210009，Jiangsu，China）

In order to study the influence of connection ways between the filler wall and frame on the out-of-plane behavior of the filler wall，five models for different connection ways were established by using ABAQUS.The software simulated the failure mode of the filler wall under out-of-plane stress and analyzed load displacement curve and the equivalent plastic strain of different models.The research indicated that：the out-of-plane stress has a great effect on the collapse of the frame infilled wall so that the greater out-of-plane stress is，the greater the plastic deformation and destruction produced by the wall body will be；the outof-plane bearing capacity of the filler wall is strengthened as rigid connection between filler wall and frame beams or columns，so as to ensure the bearing capacity of the whole structure and the plastic deformation capacity.

filler wall，out-of-plane behavior，connecting ways，numerical simulation

TU362；TU375.4

A

1001-702X（2015）09-0047-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51178218）

2015-05-17；

2015-07-02

孟龍飛，男，1990年生，江蘇常州人，碩士，主要研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)。