填充墙平面内损伤对平面外承载力影响模拟研究

2021-10-26曾威

山西建筑 2021年21期

曾威

(广西大学土木建筑工程学院，广西南宁 530000)

0 引言

我国处在两大地震带之间，是地震活动最严重的国家之一。RC框架填充墙结构其空间布置灵活，使用方便，在我国应用十分广泛。多次震害调查表明，填充墙平面外的破坏是RC框架填充墙结构破坏的主要形式之一[1]，对人员安全和社会财产造成了极大的损失。因此，对填充墙在地震作用下的破坏行为进行研究是十分必要的。

研究学者通常将对填充墙的研究分为平面内损伤[2]和平面外损伤[3]。然而由于地震的多向性，填充墙受到的更多的是来自平面内外共同作用。在平面内-外地震荷载组合作用时，在平面内填充墙体与框架产生缝隙，墙体产生的剪切裂缝将填充墙分成数个不同的部分，降低了墙体的整体性，进一步削弱了填充墙面外的承载力。因此研究填充墙在平面内外荷载共同作用下的平面外承载力具有重要的工程意义。

框架填充墙结构，其力学行为复杂，材料繁复。依托试验数据建立可靠的有限元模型研究填充墙的面外破坏行为是非常重要的研究方法。基于前人的研究不足，为此，本文依托试验数据，使用有限元软件LS-DYNA建立高精度有限元模型分析了填充墙面内损伤对RC框架填充墙结构面外抗震性能的影响。

1 有限元模型的建立与验证

1.1 建模过程

混凝土、砌体材料和加载端钢板均采用Solid164实体单元进行模拟，钢筋采用Beam161梁单元进行模拟。混凝土材料采用连续帽盖*MAT_CSCM_CONCRETE模型，该本构模型可以较好的预测拟静态加载下混凝土材料的实际反应和损伤模式[4-5]。砌体材料采用连续盖帽全参数模型*MAT_CSCM。钢筋采用材料*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。钢支撑与钢板采用线弹性材料模型*MAT_ELASTIC。

本文选择简化微观模型来模拟砌体填充墙。简化微观模型简化了砂浆层建模，将砂浆在厚度方向上划分成两部分，介于相邻两个砌块组合在一起模拟，组合砌块之间定义*CONTACT_AUTOMATIC_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE_TIEBREAK关键字来模拟接触面。该关键字可以通过定义接触面的抗剪与抗拉强度来判定接触面是否失效，可以反映砌体墙中的裂缝开展和滑移。

1.2 试验介绍

Richard Angle[6]对1/2缩尺的单层单跨RC框架填充墙试件进行了平面内-外荷载下的拟静力抗震试验。试验装置如图1所示，平面内荷载由位移控制系统提供，将千斤顶放置于框架柱顶端施加2 411.5 kPa均布竖向荷载；平面外均布荷载使用单调加载，通过气囊提供。

选取先进行平面内加载后使用气囊进行平面外均布加载的试件2B进行有限元建模验证，构件信息如表1所示。试件框架梁、柱以及各构件详细配筋和所用钢筋实测屈服强度、混凝土抗压强度等材料参数详见文献[6]。

表1 试件相关参数 mm

1.3 有限元建模

钢筋混凝框架使用耦合法建模法，采用关键字CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID定义耦合，使其协同工作。试件2B有限元模型如图2所示。为了模拟真实的试验情况，在两侧框架柱顶钢板施加了恒荷载，并且在试件底部施加了全约束，在两侧延伸梁钢板处施加位移控制，并且限制了梁钢板在填充墙平面外的自由度，并使用节点加载方式将均布荷载垂直加载在墙面上。

为了尽量取得精确的计算结果，网格划分应该尽可能小，但这样会导致计算时间的增加。权衡计算资源和模型可靠度，网格尺寸选用25 mm。

1.4 有限元验证

图3对比了试件骨架曲线与数值模型模拟荷载-位移曲线。图4对比了试件和数值模型的破坏模式。表2为数据特征值的对比与误差统计。本文取荷载达到10%承载力时对应的割线刚度为初始刚度。

表2 曲线特征值对比

由图3,表2可知，有限元模型的荷载-位移曲线和特征值都与实验结果比较接近，特征值预测最大误差为5.0%。由图4可以看出，有限元模型的裂纹发展和试验的结果非常相近，表现出了明显双面受弯破坏的特征。由上所述，有限元模型采用的数值模拟方法可以有效地分析填充墙在平面内-外耦合荷载下的平面外破坏行为。

2 平面内损伤对平面外承载力影响

图5为模型平面内的荷载-位移曲线，结合文献[7]，将填充墙平面内破坏分为四个阶段：①弹性阶段；②墙框分离阶段；③墙体斜裂缝扩展阶段；④流动变形阶段。分析位于4个面内破坏程度对填充墙面外承载力的影响，不同面内损伤对应的平面外荷载-位移曲线如图6所示，曲线特征值如表3所示。随着面内损伤的增大，填充墙平面外抗震性能显著下降，具体表现为从填充墙未损伤状态至填充墙平面内位移角到达1.0%，填充墙初始刚度降低86.7%，峰值荷载降低63.0%，延性系数降低39.5%，峰值承载力对应位移增加了195.5%。

表3 曲线特征值对比

图7为刚度衰减曲线，可见填充墙平面外的刚度有一个先增后减的过程，这是由于产生位移后的拱承载机制能提高了墙体的承载力和稳定性[8]。此外，除了未受损状态下(位移角为0.00%)的模型，其余模型的初始刚度均和峰值刚度差别较大。这是因为填充墙平面外初始刚度依赖于填充墙抗拉强度，在面内损伤的情况下，墙框分离和填充墙体的裂缝均削弱了填充墙整体的抗拉强度。

图8为损伤系数曲线，损伤系数为对应面内损伤的平面外承载力与未受损状态下填充墙平面外承载力的比值。由图可知，平面外承载力的降低在①，②阶段下降较为平缓，从③阶段和④阶段初期下降呈现出先陡峭后平缓的下降趋势，说明墙体斜裂缝的拓展对填充墙平面外承载力的影响更加显著，这是由于裂缝将墙体分成几个受力模块，降低了墙体的整体性，加快了墙体进入平面外失稳状态。

图9为不同平面内位移角数值模型对应的平面外破坏模式。整体来看，破坏表现出了明显的双向受弯破坏特征，裂缝集中在墙体中部指向填充墙四角。随着平面内位移增大，墙体裂缝逐渐增多，这是由于填充墙平面内破坏同样产生斜裂缝，在平面外荷载作用下，墙体沿着裂缝迅速破坏进入失稳状态。在位移角到达1.0%时填充墙左右上角出现了明显的砌体破坏，加重了墙体和框架分离。