加草土填充墙钢框架结构有限元分析★

2012-08-01申薇

山西建筑 2012年20期

申薇

(西安建筑科技大学土木学院，陕西西安 710055)

0 引言

生土作为一种建筑材料在我国具有悠久的历史，它具有就地取材、造价低廉、技术简单、保温与隔热性能优越、房屋拆除后的建筑垃圾可循环使用的特点，是一种完全绿色、无污染的建筑材料［1］。

同时，生土材料还是我国西北地区最有发展前景的绿色建筑材料。研究表明［2-6］，生土材料作为填充墙可以很好的和钢框架协同工作、共同受力，抗震性能良好，是一种良好的新型建筑结构体系，适合在我国西北广大农村地区推广应用。其中，生土建筑的建筑材料主要以加草土、灰土、素土和加草土为主，加草土即为在素土中掺加质量比为5‰的长约3 cm的干麦秸搅拌而成。

针对加草土填充墙钢框架结构受力性能的研究，首先，本文采用有限元软件ABAQUS对纯钢框架和加草土填充墙钢框架结构进行三维实体单元建模，并考虑材料非线性、接触非线性等因素进行了低周反复荷载作用下的数值模拟分析。对结构变形状况、承载能力、滞回性能进行对比分析，得到了加草土填充墙对钢框架结构强度、刚度的影响以及相关力学性能指标。

1 有限元模型建立

本文建立两个分析模型，其中试件KJ-1是纯钢框架结构，试件KJ-2是加草土填充墙钢框架结构。试件框架均为单跨两层刚接钢框架，跨度4 500 mm，层高2 350 mm。框架梁采用Q345B钢材，框架柱采用Q235B钢材，均为焊接Ⅰ字形截面，柱的截面尺寸为H250×200×8×12，梁的截面尺寸为 H300×120×6×12。柱加劲肋厚度与梁翼缘厚度相同，处于与梁翼缘相对应的位置。加草土填充墙内嵌于钢框架中，厚150 mm。

1.1 本构关系

材料的本构关系:

钢框架考虑为理想的弹塑性材料，钢材考虑强化，取切线模量Et为0.02E，并采用随动强化模型。钢框架部分均服从Von-Mises屈服准则，弹性模量E取2.06×105MPa，泊松比 ν取0.3。

加草土填充墙弹性阶段采用各向同性弹性模型、塑性模型采用线性Drucker-Prager模型。加草土参数来自实验数据［7］，弹性模量E取148.7 MPa，泊松比ν取0.283，加草土应力应变曲线如图1所示。

1.2 模型建立

采用通用有限元分析软件ABAQUS对纯钢框架和带加草土填充墙钢框架进行非线性有限元分析，采用三维实体建模，加草土填充墙内嵌于钢框架之中，与框架相接的面定义接触，利用面—面接触模拟钢框架和加草土墙之间的泥浆连接作用，定义剪切摩擦力模拟泥浆的连接力。接触摩擦系数取0.8，采用人工控制单元尺寸的方法对模型划分网格。

KJ-1试件和KJ-2试件均先在框架柱顶施加轴压比为0.3的竖向荷载，将二层梁端的加载节点在x方向位移耦合，外力以位移的方式施加在梁端节点上，循环加载制度如图2所示。另外，沿梁腹板中央对梁施加y方向的约束，防止试件出现平面外失稳，将钢框架柱脚固结约束。对二层梁端施加水平循环位移荷载，非线性分析时在分析步中打开大变形效应。

2 有限元结果

2.1 Mises应力分析

图3得出了KJ-1试件在极限荷载下的应力云图。由于墙体材料的非线性太强，KJ-2试件仅完成了循环位移控制为70 mm时的滞回分析，在70 mm循环荷载作用下的应力云图如图4所示。从图4中可以看出，由于加草土填充墙的受力性能类似于框架中的斜向支撑，其与钢框架共同抵抗侧向荷载作用，所以在钢框架的梁柱节点部位形成了应力集中现象。

试件的最大应力均发生在节点部位。同时，填充墙与钢框架梁柱连接的角部区域应力集中现象明显，最先发生破坏。此外，由于填充墙的抗侧力作用，增大了钢框架的刚度，降低了节点部位的变形。可见，由于填充墙的抗侧力作用，延缓了梁柱节点部位塑性区的形成。

2.2 滞回曲线

滞回曲线是试件在低周反复荷载作用下的荷载—位移曲线，是结构抗震性能的综合体现。在同一等幅循环下，滞回曲线所围面积越大，此循环中达到的承载力越高，滞回曲线越饱满，构件的塑性变形能力也越大。KJ-1试件和KJ-2试件在循环荷载作用下的滞回曲线如图5，图6所示，图6仅为KJ-2试件在70 mm循环位移作用下的滞回曲线图。

从图5，图6中可以看出，KJ-1试件在循环荷载作用下的滞回曲线呈梭形，滞回环饱满，具有良好的耗能能力;而KJ-2试件在循环荷载作用下的滞回曲线更接近反S形，这是由于在竖向和水平荷载的共同作用下，加草土填充墙的挤压和剪切变形使得滞回曲线表现出一定的滑移现象，并且随着荷载的增大，加草土填充墙和钢框架间的滑移加剧。

2.3 骨架曲线

骨架曲线是荷载—位移曲线在各加载级的第一圈循环峰值点所连成的外包络曲线，反映了构件受力与变形的各个不同阶段及特性。

KJ-1试件和KJ-2试件的骨架曲线如图7所示。从骨架曲线中可以看出，KJ-1试件具有明显的弹性、弹塑性以及塑性破坏阶段，而KJ-2试件由于作为主要抗侧力构件的加草土填充墙为脆性材料，随着位移的增大，墙体开始出现裂缝、逐渐破坏并退出工作，此时，作为主要受力构件的钢框架还没有发生破坏，结构仍有很大的安全储备。

KJ-1试件在水平位移为47.15 mm时，达到屈服荷载87.18 kN;在水平位移为119.95 mm时，达到极限荷载128.42 kN。KJ-2试件在水平位移为30.86 mm时，达到屈服荷载142.03 kN;在水平位移为64.30 mm时，达到极限荷载271.32 kN。KJ-2试件和KJ-1试件相比，由于加草土填充墙和钢框架的共同作用，结构的承载力、刚度有了明显的提高。然而由于填充墙和框架间仅靠泥浆模拟连接，使得结构的协同工作性能较差，所以结构抵抗荷载的能力提高有限并随着水平荷载的增大有所下降。

2.4 刚度退化［8］

框架的刚度可以采用割线刚度来表示。经过计算，可得KJ-1试件的初始刚度为1 974.4 kN/m，KJ-2试件的初始刚度为4 415.7 kN/m，根据计算数据绘制KJ-1试件和KJ-2试件的刚度退化曲线如图8所示。

图8中Δ和Δy分别为框架梁端加载点处的水平位移和屈服位移，K和K0分别为框架的刚度和初始刚度。从图8中可以得出:

1)KJ-1试件在屈服前刚度退化很小，屈服后则退化现象明显，退化速度较快;而KJ-2试件的刚度则下降缓慢，较为稳定，二者均具有较好的延性。2)KJ-2试件在70 mm循环位移加载时的割线刚度为4 236.1 kN/m，KJ-1试件在70 mm循环位移加载时的割线刚度为1 663.3 kN/m。其中，KJ-2试件保留了96%的初始刚度，而KJ-1试件仅保留了84%的初始刚度，可见填充加草土墙后，结构的变形和抗侧力均得到改善。