雷 晴 甘元初 王勁松 梁 鵬 楊 鑫,2

(1.南華大學，湖南 衡陽 421000; 2.南華大學長三角(諸暨)研究院，浙江 紹興 312000; 3.三亞市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，海南 三亞 572000)

1 概述

鋼筋混凝土(RC)框架結(jié)構(gòu)是世界范圍內(nèi)最廣泛使用的結(jié)構(gòu)形式之一，其具有結(jié)構(gòu)布置靈活、施工便捷等特點。蒸壓加氣混凝土(ALC)板具有自重輕、保溫隔熱性能好、隔音效果強、不易燃燒、安裝簡捷等優(yōu)點，在圍護墻體中的應(yīng)用日益增多[1]。2008年汶川8.0級地震、2010年玉樹7.1級地震中，大多數(shù)框架結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出良好的抗震性能，但填充墻破壞嚴重[2],嚴重危害了人民的生命安全，造成財產(chǎn)損失。因此，有必要研究填充墻對框架結(jié)構(gòu)的影響機制。

目前，國內(nèi)外研究人員針對填充墻RC框架抗震性能進行了許多研究。翟長海等[3]設(shè)計制作了4塊足尺砌體填充墻試件進行擬靜力試驗，并通過數(shù)值模擬研究不同參數(shù)的影響；ALC板作為一種新型建筑材料，目前學界對其抗震性能的研究較少，一些學者針對使用鋼框架[4]或鋼管混凝土框架[5]的ALC板填充墻框架研究其抗震性能。

本文使用ABAQUS有限元分析軟件對ALC板填充墻RC框架結(jié)構(gòu)進行了分離式數(shù)值建模，通過對比文獻[6]中的試驗結(jié)果驗證了數(shù)值模型的適用性與參數(shù)選取的準確性，為ALC板填充墻的推廣應(yīng)用提供參考意見。

2 有限元建模方法

2.1 試驗?zāi)Ｐ秃喗?/h3>

2017年，英國貝爾法斯特女王大學Cai Gaochuang[6]通過擬靜力試驗研究了三種填充墻RC框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，試驗的結(jié)構(gòu)為單層單跨。本文對其中兩個：無填充墻空框架和填充ALC板框架的試驗?zāi)Ｐ瓦M行數(shù)值模擬，其框架的詳細尺寸和配筋如圖1所示。ALC板填充墻模型采用A5.0級的ALC板材。試件上部通過兩個耦合點分別在柱端施加570 kN的均布荷載,水平荷載則通過梁端的耦合點設(shè)置。全程采用位移控制,取水平向左為正向加載，每級荷載加載一遍，水平荷載降低到85%或位移角大于1/30時停止加載。

2.2 模型參數(shù)設(shè)定

模型中的框架梁柱、ALC板填充墻、地梁均采用節(jié)點線性六面體減縮積分單元(C3D8R)建模。模型內(nèi)所有鋼筋采用兩結(jié)點線性三維桁架單元(T3D2)建模?；炷量蚣芨鞑考g采用Tie綁定連接，混凝土框架與填充墻之間的接觸用三向彈簧模擬，鋼筋籠通過內(nèi)嵌區(qū)域(Embedded Region)與RC框架連接，這種連接方式忽略了鋼筋與混凝土之間的滑移作用，但可以極大的簡化分析過程。

2.3 材料本構(gòu)關(guān)系

鋼筋采用雙折線模型，第一段折線鋼筋處于彈性階段，此時折線斜率為楊氏模型Es。第二段折線鋼筋處于強化階段，此時折線斜率為強化楊氏模量E，取E=0.01Es。如圖2所示，其中鋼筋在A點處發(fā)生屈服，在B點處達到受拉極限。鋼筋各項參數(shù)如表1所示。

表1 鋼筋材料參數(shù)

考慮到本試驗需模擬混凝土在往復荷載作用下的受力情況，故選用ABAQUS中的塑性損傷模型，混凝土本構(gòu)曲線參照GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[7]拉壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線及相關(guān)參數(shù)，如圖3所示。

ALC板材料的本構(gòu)模型受壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線如下：

其中，X=ε/εpr;Y=σ/fpr；ε,σ分別為ALC板材料的應(yīng)變及應(yīng)力；fpr為ALC板材料抗壓強度，取5.0 MPa;εpr為峰值壓應(yīng)變，取0.003。

ALC板受拉本構(gòu)參考普通混凝土受拉本構(gòu)曲線，并認為材料的抗拉強度約為其抗壓強度的1/10。

3 模擬與試驗對比分析

3.1 峰值荷載

根據(jù)上述建模方法對鋼筋混凝土空框架及未開洞填充ALC板RC框架進行建模，兩榀框架的有限元分析對比結(jié)果如表2所示。由表2可知，兩榀框架正負向峰值荷載的有限元模擬結(jié)果和試驗結(jié)果存在一定偏差，主要原因有以下幾個方面:1)在計算ALC板材料本構(gòu)時部分使用了混凝土本構(gòu)計算公式，造成一定誤差；2)有限元模型未考慮墻板間的拼縫，將復合墻視為一個整體；3)試件制作過程中施工質(zhì)量存在客觀差異，而數(shù)值模型的建立無法模擬這種隨機性，兩者有一定偏差。

表2 水平承載力誤差對比

3.2 滯回曲線

文獻[6]中給出了未開洞ALC板填充墻RC框架和空框架的滯回曲線，本文通過數(shù)值模擬得到了兩個模型的滯回曲線，對比如圖4所示。由圖4可知，實驗曲線中部存在明顯的“捏攏效應(yīng)”，而模擬曲線在中部位置較“飽滿”。文獻[8]認為，滯回曲線的“捏攏”主要表現(xiàn)為構(gòu)件的荷載—位移曲線在卸載階段剛度迅速降低，其根本原因是混凝土受拉區(qū)的開裂以及鋼筋的滑移。由于有限元模型未考慮混凝土與鋼筋的滑移，僅用嵌入命令簡化處理，所以模擬曲線的中部位置相對“飽滿”。

綜上，通過對比兩榀框架試驗和模擬的峰值荷載、滯回曲線，其數(shù)據(jù)誤差均在10%以內(nèi)，屈服點也基本相似，計算模型與實驗吻合較好，驗證了數(shù)值模擬的準確性和適用性。

4 結(jié)語

本文使用ABAQUS有限元分析軟件對ALC板填充墻RC框架結(jié)構(gòu)進行了分離式數(shù)值建模，得到的峰值荷載及滯回曲線與試驗的結(jié)果較為吻合，本文采用的材料本構(gòu)關(guān)系得到驗證，同時也驗證了分析時選取的模型的合理性與適用性，為后續(xù)研究ALC板填充墻RC框架的抗震性能影響提供參考意見。