装配式外挂复合墙板受力性能分析

2019-10-12韩仿完海鹰陈安英

安徽建筑 2019年9期

韩仿，完海鹰，陈安英

（合肥工业大学，安徽合肥 230009）

0 前言

我国处于多地震地带，因强震造成的人员伤亡和财产损失不计其数，经灾后调查可知，建筑物墙体的倒塌与破坏是造成伤亡损失的主要原因之一[1～3]，因此在装配式建筑中，围护结构的受力性能研究显得尤为重要[4～5]。本文的研究对象为单榀带外挂墙板的钢管混凝土框架，运用ABAQUS对整个结构体系进行建模计算，将模拟结果与试验结果对比分析，同时进行参数化分析，研究材料参数和几何参数对结构体系受力的影响规律，为该结构体系在工程实践中的应用提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试件设计

本文中的框架结构如图1所示，为单层单跨钢管混凝土框架，梁长2.8m，梁截面尺寸300×180×6×10mm，墙板尺寸1880×2920mm，墙板开洞尺寸600×1500mm，方钢管柱截面□200×200×10mm，高度3100mm，管内灌注C30混凝土。试件的梁柱节点形式统一为栓焊混合连接，梁翼缘与柱的外环板相焊接，梁腹板与柱螺栓连接，螺栓为10.9级M20高强螺栓，梁柱节点详图见图2，外挂墙板与主体框架间的主要连接构件为上、下4个连接节点，其中下节点主要起承重作用，上节点主要起限位作用，外挂墙板垂直放置在下节点的托板上，并与4个节点分别通过1根螺栓相连，上节点通过2根螺栓与钢梁下翼缘相连，下节点通过2根螺栓与钢梁上翼缘相连，连接形式及节点详图见图3。

图1 框架结构示意图

图2 梁柱连接示意图

图3 连接形式及节点详图

1.2 加载制度

加载前进行预加载。正式加载采用美国ATC-24（1992）[6]位移加载制度，以结构屈服位移为控制位移（定义为取加载荷载0.7对应的加载位移为屈服位移，为假定的试件极限荷载取值）。通过MTS液压伺服作动器对试件施加水平方向的低周往复荷载。试件屈服前，分别以0.25、0.5、0.7为极差控制加载，每级循环2次；试件达到屈服后，采用1、1.5、2、3、5、7、8…进行加载，前3级（1、1.5、2）循环3次，其余每级循环2次，试件安装图见图5。

图4 试件安装图

2 有限元模型建立

2.1 计算模型与基本假定

根据实际尺寸建立了带外挂墙板钢管混凝土框架的ABAQUS有限元模型，见图5。

图5 ABAQUS有限元模型

由于实际框架的受力情况较为复杂，需对模型做出一定的简化和基本假定，以便于分析计算。

①梁柱节点内的连接螺栓和墙板与连接件间的连接螺栓一直处于正常受力状态，不会滑出螺栓孔。

②梁柱间的连接焊缝足够牢固，不会发生撕裂。

③钢墩及地梁完全固定，不会随荷载滑移。

④外挂复合墙板与钢筋骨架之间连接良好，无相对滑移，能够共同作用。

⑤外挂墙板的螺栓孔与连接螺栓连接良好，无相对滑移，能够共同作用。

2.2 材料的本构模型

①钢材模型

钢材的本构模型为二次塑流模型，分别为弹性阶段(oa)、弹塑性阶段(ab)、塑性阶段(bc)、强化阶段(cd)、二次塑流阶段(de)，如图6。

图6 二次塑流模型

②混凝土模型

混凝土在受拉和受压状态下有不同的弹塑性特征，且需要考虑一定程度的损伤破坏，因此混凝土模型采用《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[7]中提供的混凝土本构关系和损伤塑性模型，见图7。

图7 混凝土损伤塑性模型

2.3 单元参数与边界条件

模拟中混凝土、钢梁、地梁、钢墩、钢柱、螺栓、连接件等均采用C3D8I单元，各个部件均划分为六面体网格。墙板内钢筋骨架采用T3D2单元。

模拟中设置的边界条件及接触形式有如下几种：

①绑定约束。试件结构中，钢材焊接的位置均采用绑定约束，例如钢柱与外环板、钢柱与端板、外环板与钢梁翼缘之间的焊缝，假定相互约束牢固，共同作用。

②表面与表面接触。螺栓与试件的接触、钢梁与节点连接件的接触均采用这种形式，在接触对的切向方向上设置摩擦公式为罚，摩擦系数设为0.45。

③内嵌约束。钢筋骨架与墙板之间的约束采用内嵌形式，即有着相同的位移变形，其中钢筋骨架为嵌入区域，墙板为主区域。

④耦合约束。将加载面与一个参考点进行耦合约束，类型为运动耦合。

⑤边界条件。钢墩的底部采用完全固定的形式，即Ux=Uy=Uz=θx=θy=θz=0。

2.4 模拟与试验结果对比分析

在完成有限元分析计算后导出加载点处的反力与空间位移关系曲线，即得到模拟滞回曲线，再将模拟滞回曲线各级循环的峰值点连接起来得到模拟骨架曲线，并与试验得到的骨架曲线进行对比，如图8所示。

图8 模拟与试验的骨架曲线对比

由对比分析可知，模拟结果表现出更大的弹性刚度，且在相同位移荷载下，模拟结果有着更大的水平荷载，分析是由于试验试件在加载过程中存在一定的滑移现象，包括钢材间的挤压、螺栓在孔内的滑移、墙板内钢筋的摩擦滑移和试验装置的滑移等，会造成水平荷载的下降，而在模拟计算中，对这些滑移现象进行了简化，因此整体试件刚度较大，但总体的弹性与弹塑性阶段变化趋势基本相符，承载力误差在5%以内，表明有限元模拟方法具有一定的准确性。

3 参数化分析

3.1 钢材强度对框架抗侧性能的影响

选取四种工程中常用的钢材屈服强度（Q235、Q345、Q420、Q460）作为影响参数，对试件顶部施加水平荷载，计算得出的水平荷载(P)-水平位移(Δ)关系曲线如图9所示。

图9 不同钢材强度下的P-Δ曲线

根据水平荷载(P)-水平位移(Δ)关系曲线可算出各模型的极限承载力和弹性刚度，如表1所示。

不同钢材强度下抗侧性能对比表1

由上述结果可知，随着钢材屈服强度的增加，框架的弹性刚度变化较小，但极限承载力有明显的提高，相对于钢材屈服强度为235Mpa的框架，钢材屈服强度取345、420、460Mpa的框架极限承载力分别提高了28.9%、47.8%、57.3%，由此可知，钢材强度对框架体系的极限承载力影响较大，但对弹性刚度影响较小。

3.2 混凝土强度对框架抗侧性能的影响

选取四种工程中常用的混凝土强度等级（C30、C35、C40、C45）作为影响参数，对试件顶部施加水平荷载，计算得出的水平荷载(P)-水平位移(⊿)关系曲线如图10所示。

图10 不同混凝土强度下的P-Δ曲线

根据水平荷载(P)-水平位移(Δ)关系曲线可算出各模型的极限承载力和弹性刚度，如表2所示。

不同混凝土强度下抗侧性能对比表2

由上述结果可知，随着钢材屈服强度的增加，框架的弹性刚度和极限承载力变化并不明显，相对于混凝土强度为C30的框架，混凝土强度取C35、C40、C45的框架弹性刚度分别提高了1.3%、2.5%、3.3%，极限承载力分别提高了2.8%、6.3%、8.5%。由此可知混凝土强度对框架体系的极限承载力和弹性刚度影响程度较小。