冷弯薄壁型钢复合墙体的抗震性能研究

刘殿忠时广义郝振鹏黄伟东

(1:吉林建筑大学土木工程学院，长春 130118;2:中国石油管道公司管道工程第二项目经理部，廊坊 065001)

0 引言

目前，在我国冷弯薄壁型钢复合墙体研究的还比较少，它是由加气混凝土砌块中间夹着聚乙烯保温板，两边用方管作为边缘约束，通过钢筋的焊接组合而成的复合墙体，具有自重轻、强度高、抗震性能好等优点.方管作为边缘约束不仅可提高墙体的开裂荷载和极限荷载，而且还可有效地改善砌体的变形能力和耗能能力.可以把它用在兼保温和承重的砌体结构中，国内外对加气混凝土砌体的抗震性能研究还比较多，但是，对冷弯薄壁型钢复合墙体的抗震性能的研究还比较少.

本文通过运用有限元软件合理的建立墙体模型，运用有限元理论研究对冷弯薄壁型钢复合墙体的抗震影响的参数.

1 有限元软件模拟

1.1 模型的建立

采用ABAQUS软件对加气混凝土砌块进行模拟时，使用的是混凝土损伤塑性模型，它适用于模拟各种结构类型的混凝土和其他脆性材料，可模拟混凝土的单调、循环或动载作用下的力学行为.加气混凝土采用各向同性弹性损伤结合各向同性拉伸和压缩塑性理论来表征其非弹性行为.加气混凝土墙体使用C 3 D 8 R(8节点三维线性减缩积分单元)，钢筋采用两折线随动强化模型T 3 D 2(2节点线性三维桁架单元)进行模拟，型钢采用两折线随动强化模型S9 R5(9节点的四边形壳单元)进行模拟[1].加载梁混凝土采用较大的弹性模量来模拟刚体.

1.2 试件的构造

采用足尺尺寸对冷弯薄壁型钢复合墙体进行模拟，墙体采用双叶厚度为100 mm的加气混凝土砌块、中间夹着厚度为50 mm的聚乙烯保温板和冷弯薄壁型钢作为边缘约束组成[2].冷弯薄壁型钢采用厚度为2.5 mm的方钢制成，并且通过钢筋水平焊接进行连接.砌体里采用长度为不小于500 mm的水平钢筋作为构造筋[3]，并与方钢焊接在一起.材料的数据输入见表1和表2.

表1 钢筋和方钢材料性质

表2 加气混凝土材料的参数

1.3 边界条件及加载

按照墙体的实际约束情况，本模型方钢的顶端和底端的所有节点的3个平动自由度和3个转动自由度均进行约束，加载方式采用单向位移加载，每个模型加载到60 mm，然后观察荷载位移曲线.

2 影响墙体抗震性能参数分析

影响复合墙体抗震性能的因素很多，本文选取墙体高宽比、水平拉筋间距两个因素进行分析.下文用Fk，Δk，Fy，Δy，Fu，Δu分别表示墙体的开裂荷载、开裂位移、屈服荷载、屈服位移、极限荷载、极限位移;Fz，Δz表示下降段极限荷载的85%所对应的荷载和位移.

2.1 高宽比对墙体抗剪承载力的影响

不同的高宽比会对加气混凝土砌体产生不同的破坏形式，当高宽比较小时(λ≤2)，砌块抗压强度大、弹性模量大，且与水凝砂浆有较好的粘性时，加气混凝土墙体易发生剪切破坏;当高宽比较大时(λ≥2)，砌体的抗压强度较低、砌块抗压强度低、弹性模量小时，加气混凝土易发生弯曲破坏.如果砌体的抗压强度和弹性模量较小时，当高宽比比较大时(λ≥2)，仍然具有很好的变形能力，呈现有利的剪切破坏模式.为了确保复合墙体发生合理的剪切破坏模式，应采用较小的高宽比，由于內填的材料是加气混凝土，本文采用(1.2≤λ≤2.0)范围内的高宽比进行分析[4].

采用3种不同的高宽比值对复合墙体的抗剪承载力进行分析，其他条件都相同，只改变墙体高度，墙体表面外拉结筋全部采用ø 6@400，具体数据见表3.

由图1可以看出，刚开始位移加载时，3种墙体均处于弹性阶段，随着高宽比的增大，墙体的刚度逐渐减小.当位移继续增加时，随着高宽比的增大，墙体的极限荷载逐渐减小.

图1 不同高宽比情况下墙体的荷载位移曲线

由表4可以看出，随着高宽比的增加，墙体的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载都逐渐减小，但是延性系数逐渐增加.说明冷弯薄壁型钢复合墙体随着高宽比的增加，抗剪承载力降低，但墙体的变形能力有所增强.当高宽比为2时，墙体具有较好的延性系数，说明墙体变形能力较好.

表3 不同高宽比情况下的墙体参数

表4 不同高宽比情况下墙体的计算结果对比

2.2 墙体外表面的水平拉结筋对墙体抗剪承载力的影响

通过研究墙体外表面水平拉筋的间距对冷弯薄壁型钢复合墙体的抗剪承载力的影响，采用了3种不同的拉筋间距进行研究，墙体内构造筋全部采用ø 6@400，具体间距大小见表5.

表5 水平拉结筋构造

由图2可以看出，墙体在开始位移加载的时候，3种墙体都处于弹性阶段，即力和位移都成线性增加，但是到了开裂荷载之后FW 1随着位移的增加，其承载力明显高于FW2和FW3的墙体而且刚度退化的程度也明显慢于FW2和FW3的墙体.随着位移荷载的继续增加，当3种墙体都达到极限荷载时，FW 1墙体极限承载力大于FW 2墙体，FW2墙体极限承载力大于FW3墙体，在位移小于30 mm时，3种墙体基本成平行曲线.说明外墙表面的水平拉筋间距与墙体的承载力大致呈反比例，即水平拉筋间距越小，墙体的承载力越大.极限承载力所对应的位移从图上看，FW 1比FW 2和FW 3墙体大一点.当位移荷载超过极限荷载时，FW 2和FW 3墙体的抗剪承载力下降速度较一致，FW 1墙体抗剪承载力下降较快.说明当墙体位移荷载超过极限承载力之后，加气混凝土砌体基本退出工作，墙体的主要抗剪承载力由型钢和钢筋组成的钢骨架承担，此时，连接方钢的水平拉筋间距越小，其抗剪承载能力就越强，墙体的变形性能就越好，对抗震就越有利.

图2 不同水平外筋墙体的荷载位移曲线

表6表明，当墙体的其他条件不变，只改变方钢上的水平拉筋间距，对墙体的开裂荷载、极限荷载、屈服荷载和延性系数都有影响.随着水平拉筋间距增大，开裂荷载、极限荷载、屈服荷载和延性系数都逐渐变小.

表6 不同水平拉筋间距下墙体的计算结果对比

3 结论

本文运用ABAQUS软件对冷弯薄壁型钢复合墙体进行有限元模拟，得出以下结论:

(1)冷弯薄壁型钢对墙体的约束作用.通过软件模拟可得出方钢对加气混凝土的约束和限制作用非常显著，不仅能增加砌体的变形能力，而且还可以提高墙体的抗震能力;

(2)随着冷弯薄壁型钢墙体的高宽比增加，墙体的抗剪承载能力逐渐降低，但墙体的变形能力逐渐增强;

(3)墙体外的水平拉筋可以增强墙体的整体性，当拉筋间距较小时，可以有效提高墙体的延性，但当水平拉结筋间距大时，对提高墙体的极限承载力贡献的很少;

(4)当砌体退出工作后，型钢可以继续承担抗剪承载力，作为第二道抗震防线，充分说明了型钢和加气混凝土可以组合作为抗震墙体使用;

(5)通过对冷弯薄壁型钢复合墙体的研究，为以后复合墙体在结构设计和实际应用中提供理论依据.

[1]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京:机械工业出版社，2006:165－207.

[2]赵全斌，于敬海.约束加气混凝土承重砌体张震性能的试验研究[J].新型建筑材料，2008(5):35－37.

[3]中国人民共和国国家标准.混凝土结构设计规范(GB50011－2010)[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[4]张会会.基于高宽比参数变化的生态复合墙体抗震性能研究[D].西安:西安建筑科技大学，2010.