內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

宋慧慧, 王靜峰,2, 丁兆東,2, 汪皖黔, 過 勇

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程結(jié)構(gòu)和材料安徽省級實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009)

隨著我國建筑工業(yè)化的快速推進(jìn)和發(fā)展,鋼框架結(jié)構(gòu)體系具有自重輕、強(qiáng)度高、抗震能力強(qiáng)、施工快、綠色環(huán)保、建造周期短等優(yōu)點(diǎn),因而廣泛應(yīng)用于多高層建筑[1]?，F(xiàn)有預(yù)制墻板由于自重大、裝配難且地震作用下難以與鋼結(jié)構(gòu)體系共同受力。鋼筋網(wǎng)格?；⒅榕菽炷?steel-grid vitrified microsphere foamed concrete,SVMFC)夾芯復(fù)合墻板,面板為纖維水泥板,在墻板中間部位插入鋼筋網(wǎng)格片,在上下面板之間澆筑?；⒅榕菽炷列静亩瞥傻墓?jié)能輕質(zhì)夾芯復(fù)合墻板。SVMFC夾芯復(fù)合墻板上下端預(yù)留槽口,通過鋼梁上焊接的角鋼與墻板槽口內(nèi)鋼筋進(jìn)行焊接,將內(nèi)嵌墻板與鋼框架可靠連接在一起,如圖1所示,具體構(gòu)造參考文獻(xiàn)[2]。作為一種新型裝配式復(fù)合墻板,SVMFC夾芯復(fù)合墻板自重輕,且具有一定承載能力及變形能力,與鋼框架協(xié)同工作良好,在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中具有良好的應(yīng)用前景。

圖1 內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)

目前,對預(yù)制輕質(zhì)墻板或復(fù)合墻板受力性能已經(jīng)開展了大量試驗(yàn)和理論研究,但是外掛式內(nèi)嵌預(yù)制墻板鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究較少見。文獻(xiàn)[3]研究了蒸壓輕質(zhì)混凝土(autoclaved lighweight concrete,ALC)墻板采用不同安裝方式對鋼框架抗震性能的影響；文獻(xiàn)[4]對ALC墻板與鋼框架連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了有限元分析研究；文獻(xiàn)[5-7]對鋼管混凝土框架與輕質(zhì)墻板的協(xié)同抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。然而目前國內(nèi)外對內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造和抗震性能研究并不多。

本文通過ABAQUS軟件建立內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)有限元分析模型,分析了地震作用下的整體結(jié)構(gòu)破壞模式和受力機(jī)理，利用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了有限元分析模型的合理性與正確性。對影響結(jié)構(gòu)性能變化的材料參數(shù)、材料類型、幾何參數(shù)等進(jìn)行分析,并研究了SVMFC夾芯復(fù)合墻板開窗洞、門洞對結(jié)構(gòu)的抗震性能影響。研究成果將為SVMFC夾芯復(fù)合墻板在鋼結(jié)構(gòu)建筑中設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)值分析模型

1.1 計(jì)算模型

采用ABAQUS軟件建立了內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)有限元分析模型。鋼柱、鋼梁焊接端板、水泥纖維面板、?；⑴菽炷?、鋼筋網(wǎng)格、焊接角鋼和螺栓采用八節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元C3D8R模擬。經(jīng)過試算,確定了合理的網(wǎng)格密度,有限元模型和網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 有限元計(jì)算模型

本文作如下基本假定:① 連接角鋼與鋼筋網(wǎng)格、鋼梁的焊縫質(zhì)量良好,不會發(fā)生脆性破壞;② 水泥纖維面板與?；⒅榕菽炷吝B接牢固,忽略螺釘開孔對纖維水泥板的影響;③ 螺栓和連接板、H型鋼梁連接可靠,螺栓不會滑出螺栓孔;④ 鋼筋網(wǎng)格嵌入?；⒅榕菽炷林?兩者之間沒有滑移。

1.2 材料模型

鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線模型采用二次塑流模型,滿足von-Mises屈服準(zhǔn)則。根據(jù)文獻(xiàn)[8],纖維水泥板彈性模量為5 000 MPa,屈服強(qiáng)度為14 MPa,泊松比為0.2。同時(shí)考慮水泥在面板中屬性作用,采用傷因子來模擬纖維水泥板的開裂。通過材性試驗(yàn)得知SVMFC立方體抗壓強(qiáng)度為1.61 MPa,干密度為500 kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.094 29 m2·K。根據(jù)文獻(xiàn)[9],?；⒅榕菽炷恋膹椥阅Ａ繛?00 MPa,泊松比為0.2。

1.3 邊界條件和加載方式

鋼柱的頂端與底端采用固接,在有限元分析模型中的邊界條件如下:柱底端界面U1=U2=U3=0,θx=θy=θz=0,采用收斂性較好的Newton-Raphson增量迭代法求解。

對于鋼管柱與墻板、墻板與墻板、墻板與鋼梁、面板和玻化微珠泡沫混凝土填料之間的接觸,采用硬接觸模擬法向接觸行為,界面的切向力計(jì)算采用庫倫摩擦模型,并考慮界面黏結(jié)的影響。連接角鋼與上下鋼梁及槽口處鋼筋均互相作用定義為“綁定”接觸。鋼筋網(wǎng)格與?；⒅榕菽炷撂盍现g的連接錨固采用“內(nèi)置區(qū)域”嵌入于整個(gè)模型。

分別對柱頂和梁端施加軸向荷載和水平荷載。在分析模型中可設(shè)置2個(gè)分析步來模擬荷載施加:① 對鋼框架柱頂(加載梁)施加豎向荷載；② 保持分析步①結(jié)束時(shí)的豎向荷載值不變,側(cè)面耦合到參考點(diǎn),以位移控制的方式對墻體結(jié)構(gòu)施加水平推力。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

試件PSVM1和PSVM2的荷載-位移滯回曲線、骨架曲線和破壞形態(tài)如圖3～圖6所示,可得有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較高。

圖3 滯回曲線的計(jì)算值和試驗(yàn)值結(jié)果比較

圖4 骨架曲線計(jì)算值和試驗(yàn)值結(jié)果比較

圖5 試件PSVM1破壞模態(tài)的試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果比較

圖6 試件PSVM2破壞模態(tài)的試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果比較

3 參數(shù)分析

本文分別研究了鋼框架鋼材屈服強(qiáng)度fy、?；⒅榕菽炷量箟簭?qiáng)度fcu、墻板內(nèi)置鋼筋屈服強(qiáng)度、墻面板類型、墻板厚度t和梁柱線剛度比ki對內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)受力性能的影響規(guī)律,結(jié)果見表1所列、如圖7所示。

表1 低周反復(fù)作用下預(yù)制內(nèi)嵌SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架有限元計(jì)算參數(shù)

圖7 各參數(shù)對內(nèi)嵌屈服SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架荷載-位移曲線影響

3.1 鋼框架鋼材屈服強(qiáng)度

在其他參數(shù)不變的情況下,選取工程中常用的4種鋼材屈服強(qiáng)度235、345、420、550 MPa,研究不同鋼材屈服強(qiáng)度對內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)鋼框架鋼材屈服強(qiáng)度fy為345、420、550 MPa時(shí)，結(jié)構(gòu)的水平極限承載力比鋼框架鋼材屈服強(qiáng)度fy=235 MPa時(shí)分別提高了29.13%、56.74%、87.03%;彈性剛度分別提高了4.16%、5.15%、6.84%；鋼框架鋼材屈服強(qiáng)度對內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)的承載力影響較大,但對結(jié)構(gòu)的彈性剛度影響不大。

3.2 ?；⒅榕菽炷量箟簭?qiáng)度

在其他參數(shù)不變的情況下,本文選取4種不同抗壓強(qiáng)度1.61、5.00、10.00、15.00 MPa,研究不同抗壓強(qiáng)度泡沫混凝土芯材對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。

結(jié)果表明，?；⒅榕菽炷列静目箟簭?qiáng)度為5.00、10.00、15.00 MPa時(shí),結(jié)構(gòu)的水平極限承載力比抗壓強(qiáng)度為1.61 MPa時(shí)分別提高了22.16%、47.95%、69.53%，彈性剛度分別提高了9.22%、14.07%、19.82%；內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)的水平極限承載力和彈性剛度隨著?；⒅榕菽炷列静目箟簭?qiáng)度的增加均有所提高。

3.3 墻板內(nèi)置鋼筋屈服強(qiáng)度

本文中復(fù)合墻板的內(nèi)置鋼筋是墻板與鋼框架連接的重要部件,選取常用的屈服強(qiáng)度為335、400、500 MPa的鋼筋,研究不同屈服強(qiáng)度內(nèi)置鋼筋屈服強(qiáng)度對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。

結(jié)果表明，鋼筋屈服強(qiáng)度為335 MPa時(shí),結(jié)構(gòu)的水平極限承載力比鋼筋屈服強(qiáng)度為400 MPa時(shí)降低了2.81%;鋼筋屈服強(qiáng)度為500 MPa時(shí),結(jié)構(gòu)的水平極限承載力比鋼筋屈服強(qiáng)度為400 MPa時(shí)提高了1.54%。因此可知內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)的水平極限承載力隨墻板內(nèi)置連接鋼筋屈服強(qiáng)度增加而增加,但增加幅度較小,彈性剛度幾乎保持不變。

3.4 墻面板類型

常用的墻面板的材料特性見表2所列,本文研究不同墻面板類型對內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。

表2 不同墻面板的材料特性

結(jié)果表明:內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板采用PLY板、FCB板、OSB板時(shí),其鋼框架結(jié)構(gòu)的水平極限承載力比采用GWB板分別提高了46.04%、26.55%、19.14%，彈性剛度分別提高了47.29%、21.42%、19.25%；采用PLY面板時(shí)結(jié)構(gòu)的水平極限承載力和彈性剛度最大,采用GWB面板時(shí)結(jié)構(gòu)的水平極限承載力和彈性剛度最小。在實(shí)際工程中,上述結(jié)果可為內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)的墻板面板選用提供參考依據(jù)。

3.5 墻板厚度

本文選取厚度為100、150、200 mm 3種常用的內(nèi)嵌墻板,研究內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能隨內(nèi)嵌復(fù)合墻板厚度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，墻板厚度t為150、200 mm比100 mm時(shí)結(jié)構(gòu)的極限承載分別提高了13.50%、25.26%,彈性剛度則分別提高了15.31%、33.14%;結(jié)構(gòu)的水平極限承載力和彈性剛度隨著墻板厚度的增大而提高。

3.6 梁柱線剛度比

通過改變梁柱截面來獲得不同數(shù)值的梁柱線剛度比,選取ki=1.2、1.8、2.4研究內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能隨梁柱線剛度比大小的變化規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)ki=1.8、2.4時(shí),其極限承載分別比ki=1.2時(shí)提高14.74%和28.75%,彈性剛度分別比ki=1.2時(shí)提高13.75%和27.96%；隨著梁柱線剛度比的增大,結(jié)構(gòu)的水平極限承載力和彈性剛度有所增大。

4 開洞探討

墻板開洞在實(shí)際工程中是很常見的,結(jié)構(gòu)的剛度與承載力也會隨著開洞位置及開洞率大小的變化而變化。因此,有必要研究內(nèi)墻板開洞對整體結(jié)構(gòu)受力性能的影響[10]。

4.1 墻板開窗洞探討

SVMFC夾芯復(fù)合墻板的開窗洞率用αw表示,αw=Aw/A0其中,Aw、A0分別為開窗洞口面積、完好墻板面積。窗洞的下邊緣距底梁0.9 m,取窗洞寬L為1.8 m(αw=37.70%)、2.4 m(αw=50.27%)、3.6 m(開全窗αw=75.41%)、空框架(αw=100%)、不開洞(αw=0)。內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)的P-Δ骨架曲線隨墻板窗洞開洞率的變化如圖8所示。從圖8可得出結(jié)構(gòu)的水平極限承載力Pm和彈性剛度Ke，見表3所列。

圖8 不同窗洞開洞率下結(jié)構(gòu)的P-Δ曲線

結(jié)果表明,當(dāng)αw=37.70%、50.27%、75.41%、100%時(shí),結(jié)構(gòu)水平極限承載力比αw=0(不開洞)時(shí)分別下降18.13%、25.73%、31.35%、40.16%,彈性剛度分別下降23.19%、34.19%、45.97%、47.87%。內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)的水平極限承載力與彈性剛度隨著墻板開窗洞口的增大均降低。

表3 不同窗洞開洞率板結(jié)構(gòu)的Pm、Ke

4.2 墻板開門洞探討

內(nèi)嵌復(fù)合墻板的開門洞率用αd表示,αd=Ad/A0其中,Ad、A0分別為開門洞口面積、完好墻板面積。門洞邊緣與柱子距離0.3 m,門洞高2.05 m,取門洞寬。未開洞(αd=0)、L=0.9 m(αd=21.52%)、1.8 m(αd=43.03%)和空框架(αd=100%)內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)的P-Δ骨架曲線隨墻板門洞開洞率變化情況如圖9所示。從圖9可得出結(jié)構(gòu)的水平極限承載力Pm和彈性剛度Ke，見表4所列。

圖9 不同門洞開洞率下結(jié)構(gòu)的P-Δ曲線

表4 不同門洞開洞率結(jié)構(gòu)的Pm、Ke

結(jié)果表明，當(dāng)αd為1.52%、43.03%、100%時(shí),結(jié)構(gòu)水平極限承載力比αd為0(即不開洞)時(shí)分別下降17.03%、24.74%、40.16%,彈性剛度分別下降13.58%、27.25%、47.87%。內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)的水平極限承載力和彈性剛度隨著墻板開門洞口的增大均降低。

5 結(jié) 論

本文建立的內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型,考慮了幾何、材料非線性和接觸問題。通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了有限元分析模型的合理性和準(zhǔn)確性,可用于內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架的設(shè)計(jì)與計(jì)算。

通過有限元參數(shù)分析結(jié)果可知，鋼材的屈服強(qiáng)度fy、?；⒅榕菽炷恋目箟簭?qiáng)度fcu、復(fù)合墻面板類型、墻板厚度t、梁柱線剛度比ki對內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu)的水平極限承載力與彈性剛度影響比較大。

對于內(nèi)嵌預(yù)制SVMFC夾芯復(fù)合墻板鋼框架結(jié)構(gòu),按照建筑功能的要求,在墻板上開窗洞或者門洞。隨著開洞率的增大,結(jié)構(gòu)的水平極限承載力與彈性剛度均減小。