绿色农房装配式轻钢组合墙结构单元构件有限元模拟★

刘凯歌 贾穗子 樊垚江 姚文江 闫茂壮 耿昌贤

(中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083)

1 概述

近年来，国家大力推行低碳经济，提倡绿色、环保、节能建筑，全国范围内推广建筑工业化和住宅产业化。在住建部十三五纲要中要求大力推行发展绿色低碳建造方式和装配式建筑。因此，随着社会的进步，政府开始对农村建筑发展进行引导，绿色低碳装配式建筑在我国农村地区具有着十分广泛的发展前景[1]。

我国是世界各国中地震灾害发生较为频繁的国家，同时在地震易发区还具有较高的地震发生频率的特点。其中农村和城市相比，地震对农房产生的震害影响更为严重。主要是由于农村地区的建筑多为自建房，没有相关政府部门监管，没有专业人员进行设计，无施工资质，经济条件限制，并且农民对抗震不够关注，有关机构也未对农房进行规范管理，我国大多村镇建筑普遍存在着抗震性能不足的问题。因此，对农村建筑的抗震性能提升十分必要，直接影响人民的安全。可见，研发适合农村实用的新型抗震结构体系，充分利用农村资源优势，降低抗震成本，是真正解决农房抗震问题的关键技术[2]。

2 适于绿色农房的装配式轻钢组合墙结构单元

本文以课题组研发的一种适于绿色农房的装配式轻钢组合墙结构单元为研究对象，基于前期的试验研究[3,4]，以理论分析与数值模拟相结合的方法研究其构件的抗震性能，验证构件的可行性，并提出结构相关设计建议。该组合结构的轻钢框架由钢管再生混凝土柱梁通过加强型节点连接而成，轻墙为单排配筋再生混凝土薄墙板。

图1为单元试件结构图。

3 有限元模型分析

本文采用非线性有限元分析软件ABAQUS建立了装配式轻钢组合墙结构单元的有限元模型，研究了在单调水平荷载加载下构件受力阶段结构的损伤形态，并且给出了相应的抗震设计建议。

3.1 有限元模型的创建

3.1.1 结构部件模型的创建

根据试件的几何尺寸，对结构各部件进行建模，主要包括：钢管内填充再生混凝土、边框梁柱方钢管、再生混凝土墙、钢筋及网架、水平荷载加载头及分配梁等。为了简化模型，提高计算效率，模型中将带加劲肋板加强型节点和柱脚与基础钢连接的高强螺栓省略，之后以绑定约束等效为刚性连接。采用分配梁是为了在模拟中对两边的钢管混凝土柱均匀分配竖向荷载，并且避免了应力集中。采用加载头是为了避免水平荷载在加载位置产生应力集中。边框梁柱方钢管、钢管内填充混凝土、墙板混凝土均采用C3D8R八节点三维实体单元进行模拟，此实体单元基于六面体线性减缩积分模式，缩减积分减少了单元中的积分点，与三维线性积分单元(C3D8)相比较，在弯曲荷载作用下可以避免发生剪切自锁现象，提高了计算的速率。在剪切变形为主的模拟中，采用C3D8R单元比二阶单元或一阶不减缩积分单元的效率高，而且在网格扭曲变形时，合理细分网格可提高精度且影响不大。墙板内钢筋采用T3D2两节点三维桁架单元，此单元的节点只有平动自由度，仅承受拉压荷载，可忽略横向抗剪强度。钢筋采用分离式方法建模，即每根钢筋单独建模，然后采用内嵌形式将钢筋融入到墙板中，因此不考虑钢筋与墙板混凝土之间的粘结滑移。再生混凝土墙板内钢边框采用S4R四节点通用目的壳单元，此实体单元基于减缩积分模式，允许有横向剪切变形，通用壳单元考虑了有限的膜应变和任意大的转动，适用于大应变分析。

3.1.2 创建材料、截面属性和定义装配

根据钢材和再生混凝土的本构关系创建材料，分别创建混凝土和钢材。混凝土材料力学特性中弹性设置为各向同性，输入弹性模量和泊松比，塑性选择混凝土损伤塑性模型，定义塑性特性、压缩特性和拉伸特性，并定义混凝土压缩损伤模型。钢材中力学特性中弹性设置为各向同性，输入弹性模量和泊松比，塑性定义屈服应力—塑性应变的关系。之后创建截面并给部件赋予截面属性。

3.1.3 定义边界约束条件

为了模拟试验中组合结构所承受的水平荷载与竖向荷载，在模拟中通过设置两个参考点RP1和RP2来施加竖向力和水平力。其中，施加竖向力的参考点RP1在刚体分配梁顶部中心位置上方，通过边界条件保留上端方向自由度以保证施加轴向荷载，保证实验中竖向荷载施加点和方向保持不变。水平位移由大刚度加载端头传递，以达到加载过程受力简单明确。对于施加水平荷载的参考点RP2，通过耦合约束使参考点和加载断头具有相同的自由度，以提高模型分析收敛性。将模型底面定义为固结，在模型两钢管混凝土柱底部设置一个固定约束ENCASTRE，以模拟构件与基础的固定。

3.1.4 网格划分

ABAQUS提供了三种网格划分方式：结构优化网格(Structured)、扫掠网格(Sweep)、自由网格(Free)。本文模型构造简单，为了提高精度，实体全部采用六面体结构化网格划分，壳单元采用四面体—主体单元自由网格划分。本试验有限元模型墙体网格划分种子密度为50 mm。

3.2 有限元模拟结果

通过对1榀装配式轻钢组合墙结构单元，以及组成单元的1榀空框架和1片单排配筋再生混凝土墙体进行有限元建模，得出结构破坏时混凝土损伤云图及墙板达到极限荷载时钢筋应力云图和方钢管应力云图。图2分别为试验中构件破坏，试验结束时(即位移角达到约1/25)时，再生混凝土、钢管框架、钢筋网架的应力损伤云图。由图2可得钢管框架柱梁连接节点处应力较大，部分钢筋应力较大。

图3为墙板厚度为40 mm的试件与墙板厚度为60 mm的试件在位移角为3/500,5/500,1/25时的混凝土损伤应力云图。由图3对比可知，再生混凝土墙板厚度增加了50%，其承载力增加，墙体工作性能提高；60 mm厚墙板的耗能更加充分。

4 装配式轻钢框架轻墙组合结构抗震设计建议

基于有限元模拟与理论分析并结合实际工程应用实例，装配式轻钢组合墙结构单元充分利用其截面尺寸小，自重轻等特点在建筑抗震能力方面较普通建筑更有优势。依据该结构的受力特点，给出装配式轻钢组合墙结构在抗震设计方面的建议。

1)装配式轻钢组合墙结构在不同墙体厚度以及不同钢筋间距且满足建筑规范要求的条件下，均体现出良好的抗震性能，与一般结构相比更加安全可靠。该结构可推广用于中低层绿色农房建筑，满足建筑的抗震设防要求，并且具有建筑施工速度快，施工周期较短的特点，适用于当地施工条件恶劣的项目。

2)该结构可采用绿色环保材料如再生混凝土代替普通混凝土，既满足了建筑抗震设计的要求，符合我国建筑发展的趋势。对多余或作废的建筑材料可回收利用，保证资源利用最大化，又体现了环保节约的观念。

3)由有限元模拟分析得出的结构破坏时的混凝土损伤应力云图分析，发现结构的梁柱节点处应力明显大于其他部位，该处轻钢边框受力变形较大。因此，该结构工业化建造过程中应考虑加强梁柱节点处的连接强度及稳定性，进一步提高结构的安全性可靠性。

4)建议采用参数优化的设计方法，针对装配式轻钢组合墙结构在不同参数下的力学性能进行分析。