鋼筋混凝土框架填充墻震害模擬分析

王曉燕 張偉

摘要：本文采用ANSYS三維實(shí)體單元模擬單片框架填充墻在特定位移角下的破壞情況。從分析結(jié)果及與實(shí)際震害中的數(shù)據(jù)對(duì)比得出該數(shù)值模擬具有較高的準(zhǔn)確性，從而說(shuō)明本文所采用的分析模型基本上符合實(shí)際情況，對(duì)鋼筋混凝土框架填充墻震害研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：震害；框架填充墻；有限元模擬

引言

由于地震災(zāi)害頻繁發(fā)生，鋼筋混凝土框架填充墻結(jié)構(gòu)作為一種工程上應(yīng)用十分普遍的結(jié)構(gòu)體系，每次大地震后都會(huì)有大量破壞實(shí)例，研究如何提高該類(lèi)結(jié)構(gòu)的抗震性能對(duì)于避免大量建筑損害和人員傷亡具有重大的工程意義。

1、框架結(jié)構(gòu)填充墻的震害特點(diǎn)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于辦公樓，學(xué)校，醫(yī)院及酒店等公共建筑。根據(jù)寧洱縣建設(shè)局提供的寧洱地震震損表，城鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）房屋總計(jì)為3270幢（不包括農(nóng)村民居），其中框架結(jié)構(gòu)為241幢，占總房屋數(shù)的7.3%，基本情況如下表所示：

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)填充墻破壞特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

（1）柱墻交接處豎向裂縫和梁底水平裂縫?；炷量蚣苤ɑ蛄海┡c填充墻交接處是混凝土與砌體材料兩種不同建筑材料的交匯處，如果沒(méi)有可靠的連接構(gòu)造措施，在地震作用下將會(huì)在此處產(chǎn)生裂縫。

（2）填充墻斜裂縫。由于墻體剛度較大，吸收地震能量較多，使框架結(jié)構(gòu)房屋中的墻體受剪壓作用。填充墻體在承受水平方向的地震作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“X”或“八”字形裂縫。

（3）墻體破碎。在地震作用下，由于用于砌筑的砌塊強(qiáng)度較低，墻體出現(xiàn)震碎現(xiàn)象。

2、鋼筋混凝土框架填充墻有限元模型的建立

2.1 砌體填充墻的有限元模型

砌體是由砌塊和砂漿組成的二相復(fù)合材料，本文對(duì)砌塊墻體采用整體連續(xù)體模型來(lái)分析研究墻體的開(kāi)裂形式。假設(shè)梁、柱為彈性材料采用三維實(shí)體單元SOLID45進(jìn)行模擬；采用SOLID65單元模擬裂縫的特性。采用面-面的接觸單元模擬混凝土梁柱與填充墻之間的連接，分別用Contact174和Targe170模擬3-D接觸，采用對(duì)稱(chēng)接觸?？紤]到上部砌體墻自重及樓面荷載的影響，在墻頂梁施加面荷載0.2MPa。

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系及破壞準(zhǔn)則

砌體是一種非均質(zhì)的、各向異性材料，砌縫是其薄弱環(huán)節(jié)。用ANSYS專(zhuān)門(mén)為鋼筋混凝土單元SOLID65開(kāi)發(fā)的CONCRETE材料破壞模型，采用Willam-warnke破壞準(zhǔn)則。

2.3加載方式、求解控制和收斂準(zhǔn)則

采用在框架邊側(cè)的頂點(diǎn)分步施加位移的加載方式來(lái)控制其位移角。

2.4 不同尺寸的填充墻裂縫分析

選用5種模型進(jìn)行對(duì)比分析，模型的幾何尺寸見(jiàn)表2

框架梁和柱采用C25混凝土，填充墻用普通粘土磚，其中磚MU10和砂漿M5，單軸抗拉強(qiáng)度平均值取砌體規(guī)范值0.13MPa，由砌體規(guī)范 MPa，計(jì)算墻體材料本構(gòu)關(guān)系見(jiàn)表3與圖1

表4分別給出了各模型中的填充墻在出現(xiàn)裂縫和裂縫連貫時(shí)對(duì)應(yīng)的位移角，通過(guò)與實(shí)際值對(duì)比可以知：由于對(duì)墻體采取了勻質(zhì)性假定，各模型中墻體的脆性與實(shí)際情況有所降低，所以在墻體初裂時(shí)的位移角計(jì)算值均比實(shí)際值大許多，然而在裂縫連貫時(shí)的計(jì)算值與實(shí)際值相差不大，所以本文采用的模型對(duì)于研究在層間發(fā)生較大變形時(shí)發(fā)生連貫裂縫的情況是與實(shí)際相吻合的。

從模擬的裂縫分布形式可以看出，相同的層間位移角下墻體的破壞程度主要受填充墻的高寬比值影響，相同跨度下隨層高的增加其破壞程度也隨之嚴(yán)重，即高寬比越大破壞越嚴(yán)重；在水平地震的反復(fù)作用下，高寬比較大時(shí)其破壞以“X”型為主；而在高寬比較?。?/2以下）時(shí)，其破壞是以倒“八”字型為主。分析結(jié)果與實(shí)際調(diào)研時(shí)的破壞情況是相同的。

3、結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

（1）從分析結(jié)果及與普通磚砌體填充墻框架結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比中可以看出該數(shù)值模擬具有較好精度，說(shuō)明本文所用模型的選型是科學(xué)合理的，與實(shí)際情況一致。

（2）通過(guò)分析表明：不同尺寸的填充墻的開(kāi)裂情況是不同的，其受高寬比的影響較大，在相同的跨度下，層高越大破壞越嚴(yán)重。在地震的反復(fù)作用下，墻體高寬比較大時(shí)的裂縫以“X”型為主，高寬比較?。ǖ陀?/2）以倒“八”字型為主。

3.2建議

（1）模型中采用ANSYS中鋼筋混凝土單元SOLID65的CONCRETE材料破壞準(zhǔn)則來(lái)模擬填充墻的開(kāi)裂情況，有待于尋求能反映砌體受砌縫影響的剪壓破壞模型來(lái)更為精確的模擬填充墻的受力情況。

（2）有必要建立更合適的模型來(lái)模擬填充墻在地震動(dòng)反應(yīng)下的裂縫發(fā)展情況以及建立空間結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行更合理的整體結(jié)構(gòu)分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱云士，基于強(qiáng)震觀測(cè)記錄的建筑結(jié)構(gòu)抗震性能研究.碩士學(xué)位論文.南京：南京工業(yè)大學(xué)，2004.

[2]童岳生.錢(qián)國(guó)芳.磚填充墻鋼筋框架的變形性能及承載力.西安冶金建筑學(xué)院學(xué)報(bào). 1985. 17（2）：1～21.

作者介紹：

王曉燕（1985-），女，碩士，主要從事建筑結(jié)構(gòu)及工程經(jīng)濟(jì)研究。

張偉（1984-），男，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)工程及工程抗震研究。