新型砌块填充墙RC框架结构数值模拟★

张永兵 卢丹豪 代柏乐

(广西大学，广西 南宁 530004)

1 概述

填充墙框架结构是指在框架结构中砌筑填充墙的建筑结构,我国规范在进行填充墙框架结构的相应抗震性能计算时,并未考虑填充墙对框架的影响,仅仅是将填充墙的自重作为均布荷载施加在框架上;在计算结构的动力特性时,也仅仅是简单的考虑填充墙的影响,将结构的自振周期进行相应的折减。但实际情况中,填充墙对框架结构的自振周期、受力和破坏模式均会造成一定的影响。由于填充墙对框架结构的约束作用,框架梁柱更容易形成短梁、短柱而发生破坏。为此,大量的国内外学者对填充墙对框架的影响进行了大量的试验与深入的理论研究。尤其近几年的地震灾害更明显地表明,填充墙框架结构在设计理论方面还存在诸多的有待完善之处,填充墙对框架结构的影响机制还有待进一步的研究。

1996年,Mosalam[1]对填充墙框架结构展开了深入研究,通过理论分析发现填充墙对结构刚度的影响比较大,并就填充墙框架结构的现状提出了一系列的问题与解决方案。2007年,Kakaletsis和Karayannis[2]进行了一系列试验,通过试验研究填充墙框架在开洞后滞回曲线的不同之处,并针对填充墙洞口大小以及位置等变量展开了大量研究。2012年,黄群贤[3]针对4榀单层单跨混凝土空心砌块填充墙钢筋混凝土框架结构的抗震性能进行了系统的研究,通过试验结果得出:填充墙提高了结构的强度,结构的刚度和耗能能力也获得了较大的提高。

本文运用OpenSees有限元软件,对填充墙RC框架结构在低周反复荷载作用下的水平力-位移滞回行为进行模拟,通过模拟结果与试验结果的对比分析,来验证模型选取与参数选取的可靠性与准确性,为填充墙RC框架结构的设计与抗震评估提供参考。

2 填充墙RC框架结构数值模型

2.1 OpenSees介绍

OpenSees(Open System for Earthquake Engineering Simulation,简写:OpenSees)是目前用于建筑结构分析的较为先进的有限元软件,它相比其他商业有限元软件有较大突出的优势。由于OpenSees开放所有的源代码允许使用者重新编译源代码,因此对原有程序进行二次开发变得十分简单,用户可以根据需要添加新开发的材料本构和相关的单元,因此,OpenSees内部集成了国内外最为先进的算法和最新的单元、材料模型,能够满足广大科研人员的需求。

2.2 框架模型

在强烈地震作用下,RC框架结构可能在梁柱端部形成塑性铰而发生塑性破坏,而梁柱中部受到的损伤较少。本文中,钢筋混凝土梁柱两端的塑性铰区采用零长度弹簧单元来模拟,梁柱中部保持弹性,采用弹性梁柱单元来模拟,塑性铰的材料模型采用考虑了构件的捏拢效应的Ibarra-Medina-Krawinkler退化模型来模拟。该模型的骨架曲线为三线形,主要需要五个参数来控制模型的单调和循环行为，分别为:屈服弯矩、初始刚度、峰值弯矩、屈服到峰值段塑性转角和软化段转角或软化段刚度。通过对255个钢筋混凝土柱的归纳分析总结,Haselton[4]等人对其中的参数提出了相应的计算公式,详见文献[4]。

2.3 填充墙模型

根据国内外学者的研究结果,填充墙采用等效对角支撑[5]来模拟,如图1所示。为了更真实的体现填充墙对框架的作用,在同一对角方向采用两根受压斜杆来模拟填充墙的非线性行为,如图1所示,在OpenSees中填充墙等效对角受压斜杆采用桁架单元来模拟。Henry对两对对角斜撑之间的受力关系进行了研究,通过对大量试验的理论分析研究,最终得出研究结果:偏对角斜撑与中心对角支撑的受力之比为1∶3[5]。

3 模拟结果与试验对比分析

3.1 模型的建立

本文中三榀框架的试验数据均来自本课题组之前的试验[6]。三榀框架分别为纯框架试件BF、完全填充墙框架试件IF和开窗洞填充墙框架试件IFW,试件的详细尺寸及材料参数见文献[6]。三榀框架均进行位移控制的低周反复荷载加载试验,在试验后得到各个框架的滞回曲线数据。本文基于OpenSees软件,分别建立三榀框架的数值模型,首先定义各节点的坐标,接着定义框架各部位采用的单元:其中框架的梁柱采用弹性单元elasticBeamColumn来模拟,梁柱两端采用零长度单元zeroLength来模拟,填充墙采用桁架单元Truss来模拟,然后将混凝土、钢筋和填充墙等材料的参数赋予相应的单元截面,最后运行OpenSees,得到模拟的数据结果,与试验的实际数据进行对比分析。

3.2 对比分析

三榀框架试件数值模拟与试验的滞回曲线结果对比见图2。

通过图2各滞回曲线的对比分析可以得出:

1)各试件模拟的滞回曲线与试验滞回曲线从整体上基本吻合,在每个位移角循环阶段,试件的模拟承载力与实际情况比较接近,各个滞回环的面积比试验所得到的滞回环面积略有偏大,偏大面积部分即相当于试验过程中由于各种因素引起的能量损耗,但误差值在允许范围之内。

2)试件IFW的滞回曲线在初始阶段拟合的相对较好,但是当试验进行到退化阶段后期,模拟所得的试件基底剪力要大于试验的基底剪力,这是由于在实际试验过程中,填充墙砌块被压碎后发生了局部的倒塌,进而导致填充墙完全退出工作,而在模拟的时候,即使填充墙砌块被压碎,也还留有残余强度,正是这个原因,导致模拟的滞回曲线最后阶段要高于试验曲线。

3)从三榀框架的模拟滞回曲线与试验滞回曲线的吻合度来看,模型所采用的弹性梁柱单元与集中塑性铰单元模型对RC框架有较好的拟合度,将烧结页岩空心砌块填充墙等效为对角受压斜撑的恢复力模型也是比较合理的,验证了本次模型的建立具有一定的准确性与适用性。

4 结语

本文基于OpenSees软件,采用梁柱塑性区的零长度单元和填充墙等效斜撑模型对填充墙RC框架进行模拟,得到的滞回曲线与试验的结果较为吻合,验证了分析时选取的模型的合理性与适用性。另一方面,模拟的结果也说明了本文参数选取的正确性,从而验证了烧结页岩空心砌块填充墙等效斜撑参数计算公式的正确性和适用性,为将来采用不同材料的砌块作为填充墙的理论计算奠定了基础。