賈穗子　 曹萬林　 袁　泉　 錢戰(zhàn)坤

(1北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 北京 100124)(2北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044)

框支密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)力學(xué)性能數(shù)值模擬

賈穗子1曹萬林1袁泉2錢戰(zhàn)坤2

(1北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 北京 100124)(2北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044)

摘要:基于不同構(gòu)造形式的框支密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)低周反復(fù)加載試驗(yàn),依據(jù)Park退化參數(shù)滯回規(guī)則,采用非線性程序IDARC建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,并進(jìn)行加載過程滯回曲線和骨架曲線計(jì)算值與試驗(yàn)值對比分析,以驗(yàn)證模型的正確性.同時(shí),依據(jù)方差分析法,對框支斜交肋格復(fù)合墻板構(gòu)件關(guān)鍵部位內(nèi)力和整體結(jié)構(gòu)最大轉(zhuǎn)角值影響因素進(jìn)行顯著性分析.運(yùn)用Abaqus程序建立合理的墻板模型,給出不同受力狀態(tài)下隨墻板高度變化的位移曲線,得到框支正交、斜交肋格墻板分別偏于彎剪型和剪切型變形的結(jié)論.不同位置斜交肋桿的軸向應(yīng)變及桿間作用產(chǎn)生的內(nèi)力比較結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)具有明顯的桁架特征,桿間作用對肋桿端部彎矩和軸力影響較小,桿件以軸向變形為主.

關(guān)鍵詞:框支密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu);數(shù)值模擬;有限元分析;斜交肋格

框支密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)是一種新型抗震結(jié)構(gòu)體系.采用底部大空間結(jié)構(gòu)、上部密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形式,使得結(jié)構(gòu)整體受力復(fù)雜.為了探討結(jié)構(gòu)受力與變形全過程,對其進(jìn)行非線性有限元分析具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義.

本文基于有限元程序IDARC建立墻體模型，以模擬結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn),通過改變參數(shù)建立一系列模型,對影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力的因素進(jìn)行顯著性分析.并運(yùn)用Abaqus分析結(jié)構(gòu)變形形式及斜交肋格間的傳力機(jī)理,為該類結(jié)構(gòu)非線性設(shè)計(jì)提供參考.

1框支密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)

1.1密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)

密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)采用層層嵌套的構(gòu)造形式,由預(yù)制的承重密肋復(fù)合墻板、現(xiàn)澆隱形框架和樓板裝配而成.具有生態(tài)節(jié)能、輕質(zhì)高強(qiáng)、快速建造、耗能減震、剛度可調(diào)的特點(diǎn)[1-3].其中，密肋復(fù)合墻板[4-6]是由截面及配筋較小的肋梁、肋柱構(gòu)成框格，內(nèi)嵌工業(yè)廢料預(yù)制而成.此外，混凝土邊框柱、連接柱及暗梁形成框架，與密肋復(fù)合墻板共同受力，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性(見圖1).

(a) 樓板 (b) 密肋復(fù)合墻體

1.2框支密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

計(jì)算模型參照框剪-密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)低周反復(fù)荷載試驗(yàn)?zāi)Ｐ?試件ZJQB為正交肋格,試件XJQB為斜交肋格[7-8],在上部結(jié)構(gòu)中,2榀試件分別選用普通正交肋格密肋復(fù)合墻體和創(chuàng)新型斜交肋格密肋復(fù)合墻體,試件尺寸及配筋圖見圖2.

2框支密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)滯回特性模擬

2.1模型的確定

基于以往對密肋復(fù)合墻板采用連續(xù)型簡化模型的計(jì)算思路(見圖3)[9-11]，將密肋復(fù)合墻板等效為均質(zhì)的鋼筋混凝土剪力墻模型.

一次等效基于抗壓剛度等效原則，在砌塊長度不變的前提下，將其等效為混凝土墻.二次等效按照抗彎剛度等效原則，令墻板長度和高度不變，將均質(zhì)的混凝土墻與肋柱等效為整體混凝土剪力墻.

(a) ZJQB和XJQB外框架

(b) ZJQB正交肋格

(c) XJQB斜交肋格

圖3　密肋復(fù)合墻板連續(xù)簡化模型

本文采用非線性程序IDARC模擬墻體在低周反復(fù)加載過程中的滯回特性，并將計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行對比.其中，密肋復(fù)合墻體、底框和抗震墻分別采用帶邊框剪力墻、梁-柱單元、剪力墻單元模擬.

2.2框支密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)滯回退化參數(shù)的確定

本文依據(jù)Park三參數(shù)滯回規(guī)則[12]，在墻體破壞階段剛度、強(qiáng)度退化和捏縮滑移效應(yīng)分別采用α,β,γ三個(gè)控制參數(shù)來表征.基于實(shí)測數(shù)據(jù)，得出框支密肋復(fù)合墻體α,β,γ均值為6.51，0.11，0.22，根據(jù)典型滯回參數(shù)取值范圍[12-13]，由此可以確定墻體剛度、強(qiáng)度退化和捏縮效應(yīng)處于中等程度.

2.3框支密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)滯回曲線模擬

基于2.2節(jié)中α,β,γ三參數(shù)確定的墻體恢復(fù)力模型，采用IDARC對墻體試件進(jìn)行低周反復(fù)荷載作用下的滯回特性的模擬.

該程序在計(jì)算過程中考慮如下因素:① 墻體承受恒定豎向荷載;② 基于延性強(qiáng)度退化參數(shù)與基于能量強(qiáng)度退化參數(shù)相當(dāng);③ 墻體考慮連續(xù)、線性柔度分布.

墻體滯回曲線和骨架曲線試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對比見圖4和圖5.由圖可知,墻體滯回曲線和骨架曲線的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,捏縮效應(yīng)較明顯,可真實(shí)反映滑移影響.骨架曲線中開裂、屈服、峰值、破壞荷載模擬較準(zhǔn)確.可見,采用IDARC建立的有限元模型能夠準(zhǔn)確地分析墻體內(nèi)力特性.

(a) ZJQB

(b) XJQB

2.4框支斜交肋格密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響因素

由于框支斜交肋格密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)受力較復(fù)雜,本文基于IDARC建模,基于方差分析法進(jìn)行其力學(xué)性能的優(yōu)化.

(a) ZJQB

(b) XJQB

按照XJQB試件尺寸(見圖2),取框支梁跨度為6m,抗震墻高度為1.75m.分別考慮框支梁高跨比(因素A)、抗震墻寬高比(因素B)和密肋墻高跨比(因素C)3個(gè)因素的變化對結(jié)構(gòu)框支梁、柱內(nèi)力和頂部最大轉(zhuǎn)角值的顯著性影響.模型正交設(shè)計(jì)水平見表1,其中空白列D的設(shè)置用來減少因素遺漏、交互對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的誤差.

表1　試件正交設(shè)計(jì)水平表

采用方差分析法對正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行精確分析,得出因素水平變化對構(gòu)件內(nèi)力(彎矩M和剪力V)和墻體最大轉(zhuǎn)角的顯著性影響,如表2所示.

表2　試件各因素變化對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的顯著性影響　%

由表2可知,對于框支梁支座內(nèi)力，因素A影響具有高度顯著性，因素C是非顯著性影響因素；對于框支梁跨中彎矩,3個(gè)因素均為影響因素，因素A影響最顯著；對于框支柱底部內(nèi)力,3個(gè)因素均為影響因素，但對不同參數(shù)顯著影響因素不同，底部彎矩影響因素為因素A，底部剪力影響因素為因素B；對于頂部最大轉(zhuǎn)角值，3個(gè)因素的影響均較顯著.

3框支密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

3.1變形形式分析

采用非線性有限元分析軟件Abaqus,通過單向遞增加載方式模擬墻體試件的受力性能.鋼筋強(qiáng)度取試驗(yàn)值,彈性模量和泊松比分別取為2.1×105MPa和0.3,本構(gòu)模型為理想的彈塑性模型.混凝土強(qiáng)度采用試驗(yàn)值,彈性模量和泊松比分別取為2.95×104MPa和0.2.由于復(fù)合墻體中密肋桿件截面小且數(shù)量多,鋼筋位置在其截面尺寸范圍內(nèi)的改變對整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響較小,因此將密肋桿件中的鋼筋進(jìn)行面積等效處理以簡化模型.為避免頂梁及其周邊區(qū)域應(yīng)力集中而發(fā)生局部破壞,本文在頂梁設(shè)置的剛度和強(qiáng)度遠(yuǎn)大于混凝土的矩形墊塊,并將整個(gè)矩形截面耦合在一個(gè)點(diǎn)上,在耦合點(diǎn)上施加水平荷載,符合實(shí)際加載過程.

基于有限元分析結(jié)果,得出屈服、峰值、極限和破壞狀態(tài)墻體位移隨高度變化曲線(見圖6),直觀地反映正交與斜交肋格對墻體變形形式的影響.

(a) ZJQB位移分布

(b) XJQB位移分布

由圖6可得,ZJQB偏于彎剪型變形,XJQB偏于剪切型變形.斜交肋格形式的墻板使得墻體中形成大量幾何不變的三角形框格,與正交肋格形式相比增加了上層墻板的剛度,改變了傳力途徑,水平荷載主要通過斜柱軸向變形向下傳遞.可見,在同等條件下,斜交肋格抗側(cè)剛度更好.

3.2斜交肋格內(nèi)力分析

依據(jù)Abaqus計(jì)算結(jié)果,得到墻體屈服前不同位置斜交肋桿軸向應(yīng)變?nèi)鐖D7所示.

(a) XJQB肋桿編號

(b) XJQB肋桿軸向應(yīng)變

由圖7可得,在水平荷載作用下,正向與負(fù)向肋桿軸向應(yīng)變走向一致,且正、負(fù)向肋桿應(yīng)變關(guān)于X軸對稱分布,可見斜交肋格的構(gòu)造形式呈現(xiàn)出較為明顯的桁架特征.

為了考慮斜交肋格間的相互影響,計(jì)算有、無桿間作用對斜交肋桿內(nèi)力的影響(見表3).由表可知,桿間作用對斜桿端部彎矩和軸力影響較小,剪力相比軸力基本可以忽略,桿件以軸向變形為主.

4結(jié)論

1) 基于Park退化三參數(shù)滯回模型,采用IDARC對低周反復(fù)荷載作用下的框支密肋復(fù)合墻體進(jìn)行有限元分析,滯回曲線計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,捏縮效應(yīng)明顯,可真實(shí)反映滑移影響.骨架曲線中開裂、屈服、峰值、破壞荷載模擬較準(zhǔn)確,表明采用本文建議的三參數(shù)取值范圍,適用于框支密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)滯回特性的研究.同時(shí),采用方差分析法,通過數(shù)值模擬分析了各因素對斜交肋格密肋復(fù)合板底部框支梁、柱內(nèi)力和結(jié)構(gòu)整體最大轉(zhuǎn)角值的顯著影響程度.

2) 框支正交、斜交肋格墻板分別偏于彎剪型和剪切型變形.斜交肋桿軸向應(yīng)變沿正、負(fù)方向走向一致,且正、負(fù)向應(yīng)變關(guān)于X軸對稱分布,可見斜交肋格的構(gòu)造形式呈現(xiàn)出較為明顯的桁架特征.桿間作用對斜桿端部彎矩和軸力影響較小,桿件以軸向變形為主.

表3　桿間作用對斜向肋桿內(nèi)力影響計(jì)算結(jié)果

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Numericalsimulationonmechanicalpropertiesofframe-supportedmulti-ribbedcompositeslabstructure

JiaSuizi1CaoWanlin1YuanQuan2QianZhankun2

(1CollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China) (2SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

Abstract:Based on the experiments of low-cyclic loading applied to the frame-supported multi-ribbed composite slab structures (FSMRC slab structures) with different forms, the calculated model was established incorporated in the nonlinear program IDARC by the hysteretic rules of Park degradation-parameter. The computing and test results of the hysteretic curve and the framework curve of the specimens during loading were compared and analyzed to verify the correctness of the established model. Moreover, the influence factors for the key part internal-force and the massive structural maximum angle of the frame-supported inclined-grid composite slab structure were analyzed by using the variance analysis. Besides, a reasonable slab model was established by using Abaqus, and the slab displacement-curves with the height under different loading conditions were obtained, so the frame-supported diagonal-grid, inclined-grid slabs delivered bending-shear and shear deformations, respectively. The comparison results of the axial-strain and internal forces caused by rib-effect of inclined-rib in different locations show that the structure presents an obvious truss-characteristic. Moreover, the influence of the rib-effect on the bending moment and the axial force of the diagonal-rid is small, and the main deformation of the diagonal-rid is axial deformation.

Key words:frame-supported multi-ribbed composite slab structure; numerical simulation; finite element analysis; oblique frame-grid

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.013

收稿日期:2016-01-21.

作者簡介:賈穗子(1984—),女,博士,suizijia@163.com.

基金項(xiàng)目:“十二五”國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAL03B01)、國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51508009)、北京市博士后工作經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(2015ZZ-29).

中圖分類號:TU352.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1001-0505(2016)03-0532-05

引用本文: 賈穗子,曹萬林,袁泉,等.框支密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)力學(xué)性能數(shù)值模擬[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(3):532-536.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.013.