轴压比对轻钢-泡沫混凝土组合墙体抗震性能影响的有限元分析

2019-10-25刘殿忠刘欣怡

吉林建筑大学学报 2019年4期

刘殿忠，刘欣怡

吉林建筑大学土木工程学院,长春 130118

轴压比是衡量墙体变形能力和抗倒塌能力的一项重要参数[1],在其他参数不变的情况下,墙体抗剪能力会随轴压比的增加而变大,但并不是无限增大,而是有一定的限值.据此,采用 ABAQUS软件对轻钢-泡沫混凝土组合墙体进行模拟,分析轴压比对该墙体抗震性能的影响,为以后该类型组合墙体在结构设计和实际工程应用提供理论依据.

1 试件设计

组合墙体试件如图1所示.本试件采用规格为C 100 mm×50 mm×20 mm×2.5 mm的冷弯薄壁C型钢作为主体,50 mm×2.5 mm的扁钢作为横向及斜向拉结条[2],横向拉结条间距500 mm[3],通过自攻螺钉将其连接在一起,形成墙体的型钢骨架,并浇筑密度为1 200 kg/m3的泡沫混凝土,最终做成2 700 mm×1 300 mm×150 mm的组合墙体.

图1 组合墙体试件(单位：mm)Fig.1 Composite wall specimens(Unit:mm)

图2 泡沫混凝土损伤塑性模型Fig.2 Damage plasticity model of foamed concrete

2 有限元模型

2.1 材料定义

泡沫混凝土本构采用何书明所提出的泡沫混凝土本构关系,采用ABAQUS自带的损伤塑性模型来考虑其塑性发展[4],模型曲线如2图所示,模型参数取值见表1.

表1 混凝土塑性损伤模型参数Table 1 Plastic damage model parameters of concrete

图3 型钢应力σ-应变εFig.3 Steel stress σ-strain ε

型钢为Q 345钢,本构模型采用带屈服平台和下降段的全曲线模型(四折线模型),如图3所示.弹性模量210 GPa,泊松比0.3,硬化模式为各向同性.

2.2 网格划分

将泡沫混凝土单元和型钢骨架单元尺寸设为50 mm,泡沫混凝土采用实体单元C 3 D 8 R,型钢骨架采用三维壳单元S 4 R.用于施加荷载的刚性加载梁单元尺寸设为200 mm[5],单元类型选用C 3 D 8 R.

2.3 约束条件和边界条件

将型钢骨架采用embed嵌入到泡沫混凝土中,不考虑二者间的粘结滑移;采用tie将墙体与加载梁的接触面进行约束,保证接触面之间不发生脱离,使计算收敛;采用coupling将参考点的运动和加载面的运动进行耦合.模拟时将组合墙体底面完全固定;模拟全程采用位移控制,在加载梁的横截面处施加沿加载梁轴线方向上的位移[6],进行往复循环加载.

3 有限元计算结果分析

3.1 泡沫混凝土损伤

模拟得到的泡沫混凝土受压受拉损伤云图如图4～图5所示.

(a) 轴压比0.2(a) Axial compression ratio 0.2 (b) 轴压比0.3(b) Axial compression ratio 0.3 (c) 轴压比0.4(c) Axial compression ratio 0.4图4 泡沫混凝土受压损伤云图Fig.4 Compression damage nephogram of foam concrete

(a) 轴压比0.2(a) Axial compression ratio 0.2 (b) 轴压比0.3(b) Axial compression ratio 0.3 (c) 轴压比0.4(c) Axial compression ratio 0.4图5 泡沫混凝土受拉损伤云图Fig.5 Tension damage nephogram of foam concrete

由混凝土损伤云图可以看出,受压损伤主要集中在组合墙体墙角处,损伤最大达到0.834,随着轴压比的增大,组合墙体损伤区域向上扩展,损伤面积增大,1/2墙体以下损伤最为严重.组合墙体受拉损伤主要集中在墙高1/2区域附近,最大损伤达到0.91,组合墙体墙高1/2以上部分形成45°斜裂缝,墙角发生明显的鼓曲现象,随着轴压比的增大,组合墙体出现竖向贯通裂缝.

3.2 型钢骨架应力

型钢骨架应力云图如图6所示.由型钢骨架应力云图可知,墙体中下部型钢所受应力较上部大,横向拉结条中间区域应力较两侧大.随着轴压比的增大,型钢骨架受力区域向组合墙体上部扩展,受力面积增大.型钢骨架应力最大处出现在组合墙体墙角,型钢发生弯曲,结合混凝土损伤云图和型钢骨架应力云图,判断组合墙体发生弯剪破坏.

(a) 轴压比0.2(a) Axial compression ratio 0.2 (b) 轴压比0.3(b) Axial compression ratio 0.3 (c) 轴压比0.4(c) Axial compression ratio 0.4图6 型钢骨架应力云图Fig.6 Stress nephogram of steel skeleton

图7 不同轴压比试件的骨架曲线Fig.7 Skeleton curves of specimens with different axial compression ratios

3.3 荷载-位移曲线分析

对轴压比分别为0.2,0.3和0.4的3个试件进行水平往复加载,得到的荷载-位移骨架曲线如图7所示.加载初始阶段,各试件的荷载-位移骨架曲线基本重合,表明在加载初始阶段轴压比对组合墙体几乎没有影响[7],但这阶段很短,加载位移在8 mm以内.随着加载位移的增大,轴压比对试件承载能力的影响开始显现,试件达到承载力峰值点之前,轴压比越大,试件的承载力提升越高.达到承载力峰值后,轴压比越大,荷载-位移骨架曲线下降段越陡,试件的变形能力显著降低.

3.4 承载能力及变性能力分析

不同轴压比试件的屈服荷载、屈服位移、峰值荷载、峰值位移、极限荷载和极限位移见表2.

表2 不同轴压比试件的特征点参数Table 2 Characteristic point parameters of specimens with different axial compression ratios

通过对组合墙体不同轴压比试件特征点参数的分析可知,随着轴压比增大,屈服荷载由261.52 kN增至269.96 kN,增加了3.2%;轴压比由0.2到0.3,峰值荷载与极限荷载有所增大,与此同时,峰值位移和极限位移均在减小[8];由不同组合墙体的延性系数也可以发现,随着轴压比的增大,延性系数不断减小,延性变差,结构构件向脆性发展.当轴压比为0.2和0.3时,组合墙体承载力较高且延性系数大于3,说明此轴压比下的轻钢-泡沫混凝土组合墙体具有良好的承载力和较优异的变形能力.

当墙体轴压比超过0.3达到0.4的情况下,各项指标呈反向发展,除屈服荷载外其余各向参数均减小.轻钢-泡沫混凝土组合墙体主要受到竖向轴力、水平剪力以及底部弯矩作用,墙体底部两侧随水平力的方向受拉应力和压应力.当轴压比处于某个限度的情况下,墙体底部的拉应力和轴向压应力相互抵消,抑制了墙体的破坏,故而峰值荷载更大一些.而如果轴压比超过了一定限度,轴向的压应力就会大于墙体内部拉应力,导致其压力同向叠加,使得墙体构件的损伤更为严重,导致墙体承载力更低.由此可见,轴压比不是越大越好,也不是越小越好,要控制在一定的范围,因此在实际工程中,要重视对轴压比的合理选择.