框支密肋复合板结构力学性能数值模拟

贾穗子　 曹万林　 袁　泉　 钱战坤

(1北京工业大学建筑工程学院, 北京 100124)(2北京交通大学土木建筑工程学院, 北京 100044)

框支密肋复合板结构力学性能数值模拟

贾穗子1曹万林1袁泉2钱战坤2

(1北京工业大学建筑工程学院, 北京 100124)(2北京交通大学土木建筑工程学院, 北京 100044)

摘要:基于不同构造形式的框支密肋复合板结构低周反复加载试验,依据Park退化参数滞回规则,采用非线性程序IDARC建立结构计算模型,并进行加载过程滞回曲线和骨架曲线计算值与试验值对比分析,以验证模型的正确性.同时,依据方差分析法,对框支斜交肋格复合墙板构件关键部位内力和整体结构最大转角值影响因素进行显著性分析.运用Abaqus程序建立合理的墙板模型,给出不同受力状态下随墙板高度变化的位移曲线,得到框支正交、斜交肋格墙板分别偏于弯剪型和剪切型变形的结论.不同位置斜交肋杆的轴向应变及杆间作用产生的内力比较结果表明,结构具有明显的桁架特征,杆间作用对肋杆端部弯矩和轴力影响较小,杆件以轴向变形为主.

关键词:框支密肋复合板结构;数值模拟;有限元分析;斜交肋格

框支密肋复合板结构是一种新型抗震结构体系.采用底部大空间结构、上部密肋复合板结构的构造形式,使得结构整体受力复杂.为了探讨结构受力与变形全过程,对其进行非线性有限元分析具有重要的理论价值和实际意义.

本文基于有限元程序IDARC建立墙体模型，以模拟结构抗震性能试验,通过改变参数建立一系列模型,对影响结构内力的因素进行显著性分析.并运用Abaqus分析结构变形形式及斜交肋格间的传力机理,为该类结构非线性设计提供参考.

1框支密肋复合板结构

1.1密肋复合板结构

密肋复合板结构采用层层嵌套的构造形式,由预制的承重密肋复合墙板、现浇隐形框架和楼板装配而成.具有生态节能、轻质高强、快速建造、耗能减震、刚度可调的特点[1-3].其中，密肋复合墙板[4-6]是由截面及配筋较小的肋梁、肋柱构成框格，内嵌工业废料预制而成.此外，混凝土边框柱、连接柱及暗梁形成框架，与密肋复合墙板共同受力，增强了结构的整体性(见图1).

(a) 楼板 (b) 密肋复合墙体

1.2框支密肋复合板结构计算模型

计算模型参照框剪-密肋复合墙结构低周反复荷载试验模型,试件ZJQB为正交肋格,试件XJQB为斜交肋格[7-8],在上部结构中,2榀试件分别选用普通正交肋格密肋复合墙体和创新型斜交肋格密肋复合墙体,试件尺寸及配筋图见图2.

2框支密肋复合板结构滞回特性模拟

2.1模型的确定

基于以往对密肋复合墙板采用连续型简化模型的计算思路(见图3)[9-11]，将密肋复合墙板等效为均质的钢筋混凝土剪力墙模型.

一次等效基于抗压刚度等效原则，在砌块长度不变的前提下，将其等效为混凝土墙.二次等效按照抗弯刚度等效原则，令墙板长度和高度不变，将均质的混凝土墙与肋柱等效为整体混凝土剪力墙.

(a) ZJQB和XJQB外框架

(b) ZJQB正交肋格

(c) XJQB斜交肋格

图3　密肋复合墙板连续简化模型

本文采用非线性程序IDARC模拟墙体在低周反复加载过程中的滞回特性，并将计算值与实测值进行对比.其中，密肋复合墙体、底框和抗震墙分别采用带边框剪力墙、梁-柱单元、剪力墙单元模拟.

2.2框支密肋复合板结构滞回退化参数的确定

本文依据Park三参数滞回规则[12]，在墙体破坏阶段刚度、强度退化和捏缩滑移效应分别采用α,β,γ三个控制参数来表征.基于实测数据，得出框支密肋复合墙体α,β,γ均值为6.51，0.11，0.22，根据典型滞回参数取值范围[12-13]，由此可以确定墙体刚度、强度退化和捏缩效应处于中等程度.

2.3框支密肋复合板结构滞回曲线模拟

基于2.2节中α,β,γ三参数确定的墙体恢复力模型，采用IDARC对墙体试件进行低周反复荷载作用下的滞回特性的模拟.

该程序在计算过程中考虑如下因素:① 墙体承受恒定竖向荷载;② 基于延性强度退化参数与基于能量强度退化参数相当;③ 墙体考虑连续、线性柔度分布.

墙体滞回曲线和骨架曲线试验结果与计算结果对比见图4和图5.由图可知,墙体滞回曲线和骨架曲线的计算结果和试验结果吻合良好,捏缩效应较明显,可真实反映滑移影响.骨架曲线中开裂、屈服、峰值、破坏荷载模拟较准确.可见,采用IDARC建立的有限元模型能够准确地分析墙体内力特性.

(a) ZJQB

(b) XJQB

2.4框支斜交肋格密肋复合板结构内力影响因素

由于框支斜交肋格密肋复合板结构受力较复杂,本文基于IDARC建模,基于方差分析法进行其力学性能的优化.

(a) ZJQB

(b) XJQB

按照XJQB试件尺寸(见图2),取框支梁跨度为6m,抗震墙高度为1.75m.分别考虑框支梁高跨比(因素A)、抗震墙宽高比(因素B)和密肋墙高跨比(因素C)3个因素的变化对结构框支梁、柱内力和顶部最大转角值的显著性影响.模型正交设计水平见表1,其中空白列D的设置用来减少因素遗漏、交互对试验结果产生的误差.

表1　试件正交设计水平表

采用方差分析法对正交试验计算结果进行精确分析,得出因素水平变化对构件内力(弯矩M和剪力V)和墙体最大转角的显著性影响,如表2所示.

表2　试件各因素变化对结构内力的显著性影响　%

由表2可知,对于框支梁支座内力，因素A影响具有高度显著性，因素C是非显著性影响因素；对于框支梁跨中弯矩,3个因素均为影响因素，因素A影响最显著；对于框支柱底部内力,3个因素均为影响因素，但对不同参数显著影响因素不同，底部弯矩影响因素为因素A，底部剪力影响因素为因素B；对于顶部最大转角值，3个因素的影响均较显著.

3框支密肋复合板结构力学性能分析

3.1变形形式分析

采用非线性有限元分析软件Abaqus,通过单向递增加载方式模拟墙体试件的受力性能.钢筋强度取试验值,弹性模量和泊松比分别取为2.1×105MPa和0.3,本构模型为理想的弹塑性模型.混凝土强度采用试验值,弹性模量和泊松比分别取为2.95×104MPa和0.2.由于复合墙体中密肋杆件截面小且数量多,钢筋位置在其截面尺寸范围内的改变对整个结构的影响较小,因此将密肋杆件中的钢筋进行面积等效处理以简化模型.为避免顶梁及其周边区域应力集中而发生局部破坏,本文在顶梁设置的刚度和强度远大于混凝土的矩形垫块,并将整个矩形截面耦合在一个点上,在耦合点上施加水平荷载,符合实际加载过程.

基于有限元分析结果,得出屈服、峰值、极限和破坏状态墙体位移随高度变化曲线(见图6),直观地反映正交与斜交肋格对墙体变形形式的影响.

(a) ZJQB位移分布

(b) XJQB位移分布

由图6可得,ZJQB偏于弯剪型变形,XJQB偏于剪切型变形.斜交肋格形式的墙板使得墙体中形成大量几何不变的三角形框格,与正交肋格形式相比增加了上层墙板的刚度,改变了传力途径,水平荷载主要通过斜柱轴向变形向下传递.可见,在同等条件下,斜交肋格抗侧刚度更好.

3.2斜交肋格内力分析

依据Abaqus计算结果,得到墙体屈服前不同位置斜交肋杆轴向应变如图7所示.

(a) XJQB肋杆编号

(b) XJQB肋杆轴向应变

由图7可得,在水平荷载作用下,正向与负向肋杆轴向应变走向一致,且正、负向肋杆应变关于X轴对称分布,可见斜交肋格的构造形式呈现出较为明显的桁架特征.

为了考虑斜交肋格间的相互影响,计算有、无杆间作用对斜交肋杆内力的影响(见表3).由表可知,杆间作用对斜杆端部弯矩和轴力影响较小,剪力相比轴力基本可以忽略,杆件以轴向变形为主.

4结论

1) 基于Park退化三参数滞回模型,采用IDARC对低周反复荷载作用下的框支密肋复合墙体进行有限元分析,滞回曲线计算结果与试验结果吻合良好,捏缩效应明显,可真实反映滑移影响.骨架曲线中开裂、屈服、峰值、破坏荷载模拟较准确,表明采用本文建议的三参数取值范围,适用于框支密肋复合板结构滞回特性的研究.同时,采用方差分析法,通过数值模拟分析了各因素对斜交肋格密肋复合板底部框支梁、柱内力和结构整体最大转角值的显著影响程度.

2) 框支正交、斜交肋格墙板分别偏于弯剪型和剪切型变形.斜交肋杆轴向应变沿正、负方向走向一致,且正、负向应变关于X轴对称分布,可见斜交肋格的构造形式呈现出较为明显的桁架特征.杆间作用对斜杆端部弯矩和轴力影响较小,杆件以轴向变形为主.

表3　杆间作用对斜向肋杆内力影响计算结果

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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.

作者简介:贾穗子(1984—),女,博士,suizijia@163.com.

基金项目:“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2015BAL03B01)、国家自然科学基金青年基金资助项目(51508009)、北京市博士后工作经费资助项目(2015ZZ-29).

中图分类号:TU352.1

文献标志码:A

文章编号:1001-0505(2016)03-0532-05

引用本文: 贾穗子,曹万林,袁泉,等.框支密肋复合板结构力学性能数值模拟[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(3):532-536.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.013.