论文部分内容阅读
摘要：本文采用ANSYS三维实体单元模拟单片框架填充墙在特定位移角下的破坏情况。从分析结果及与实际震害中的数据对比得出该数值模拟具有较高的准确性，从而说明本文所采用的分析模型基本上符合实际情况，对钢筋混凝土框架填充墙震害研究具有一定的现实意义。
关键词：震害；框架填充墙；有限元模拟
引言
由于地震灾害频繁发生，钢筋混凝土框架填充墙结构作为一种工程上应用十分普遍的结构体系，每次大地震后都会有大量破坏实例，研究如何提高该类结构的抗震性能对于避免大量建筑损害和人员伤亡具有重大的工程意义。
1、框架结构填充墙的震害特点
钢筋混凝土框架结构主要应用于办公楼，学校，医院及酒店等公共建筑。根据宁洱县建设局提供的宁洱地震震损表，城镇（乡）房屋总计为3270幢（不包括农村民居），其中框架结构为241幢，占总房屋数的7.3%，基本情况如下表所示：
表1 框架房屋震害统计（幢）
总框架数 正常使用 加固使用 拆除
242 160 55 27
占框架总数（%） 65.9 22.5 11.6
经统计分析钢筋混凝土框架结构填充墙破坏特点主要有以下几个方面：
（1）柱墙交接处竖向裂缝和梁底水平裂缝。混凝土框架柱（或梁）与填充墙交接处是混凝土与砌体材料两种不同建筑材料的交汇处，如果没有可靠的连接构造措施，在地震作用下将会在此处产生裂缝。
（2）填充墙斜裂缝。由于墙体刚度较大，吸收地震能量较多，使框架结构房屋中的墙体受剪压作用。填充墙体在承受水平方向的地震作用时，会产生“X”或“八”字形裂缝。
（3）墙体破碎。在地震作用下，由于用于砌筑的砌块强度较低，墙体出现震碎现象。
2、钢筋混凝土框架填充墙有限元模型的建立
2.1 砌体填充墙的有限元模型
砌体是由砌块和砂浆组成的二相复合材料，本文对砌块墙体采用整体连续体模型来分析研究墙体的开裂形式。假设梁、柱为弹性材料采用三维实体单元SOLID45进行模拟；采用SOLID65单元模拟裂缝的特性。采用面-面的接触单元模拟混凝土梁柱与填充墙之间的连接，分别用Contact174和Targe170模拟3-D接触，采用对称接触。考虑到上部砌体墙自重及楼面荷载的影响，在墙顶梁施加面荷载0.2MPa。
2.2 材料本构关系及破坏准则
砌体是一种非均质的、各向异性材料，砌缝是其薄弱环节。用ANSYS专门为钢筋混凝土单元SOLID65开发的CONCRETE材料破坏模型，采用Willam-warnke破坏准则。
2.3加载方式、求解控制和收敛准则
采用在框架边侧的顶点分步施加位移的加载方式来控制其位移角。
2.4 不同尺寸的填充墙裂缝分析
选用5种模型进行对比分析，模型的几何尺寸见表2
表2 不同尺寸的框架填充墙模型
模型号 尺寸（mm2）
跨度×层高 框架柱 框架梁 填充墙体
1 5000×3000 500×500 250×500 4500×2500
2 5000×4000 500×500 250×500 4500×3500
3 5000×5000 500×500 250×500 4500×4500
4 4000×3000 500×500 250×500 3500×2500
5 6000×3000 500×500 250×500 5500×2500
框架梁和柱采用C25混凝土，填充墙用普通粘土砖，其中砖MU10和砂浆M5，单轴抗拉强度平均值取砌体规范值0.13MPa，由砌体规范 MPa，计算墙体材料本构关系见表3与图1
表3 普通粘土砖墙本构关系
应变（1E-4） 5 10 15 20 25 30
应力（MPa） 0.517 0.856 1.078 1.223 1.319 1.381
建立有限元模型，对模型进行分析计算并假定墙下的梁为刚性的。如图2所示：
图1 普通粘土砖墙受压应力应变曲线图 图2 框架填充墙模型图
表4 模型各阶段对应的位移角
填充墙破坏状态 模型1 模型2 模型3 模型4 模型5
初始裂缝 1/559 1/726 1/942 1/630 1/678
裂缝连贯 1/415 1/675 1/789 1/592 1/594
表4分别给出了各模型中的填充墙在出现裂缝和裂缝连贯时对应的位移角，通过与实际值对比可以知：由于对墙体采取了匀质性假定，各模型中墙体的脆性与实际情况有所降低，所以在墙体初裂时的位移角计算值均比实际值大许多，然而在裂缝连贯时的计算值与实际值相差不大，所以本文采用的模型对于研究在层间发生较大变形时发生连贯裂缝的情况是与实际相吻合的。
从模拟的裂缝分布形式可以看出，相同的层间位移角下墙体的破坏程度主要受填充墙的高宽比值影响，相同跨度下随层高的增加其破坏程度也随之严重，即高宽比越大破坏越严重；在水平地震的反复作用下，高宽比较大时其破坏以“X”型为主；而在高宽比较小（1/2以下）时，其破坏是以倒“八”字型为主。分析结果与实际调研时的破坏情况是相同的。
3、结论与建议
3.1 结论
（1）从分析结果及与普通砖砌体填充墙框架结构的试验数据对比中可以看出该数值模拟具有较好精度，说明本文所用模型的选型是科学合理的，与实际情况一致。
（2）通过分析表明：不同尺寸的填充墙的开裂情况是不同的，其受高宽比的影响较大，在相同的跨度下，层高越大破坏越严重。在地震的反复作用下，墙体高宽比较大时的裂缝以“X”型为主，高宽比较小（低于1/2）以倒“八”字型为主。
3.2建议
（1）模型中采用ANSYS中钢筋混凝土单元SOLID65的CONCRETE材料破坏准则来模拟填充墙的开裂情况，有待于寻求能反映砌体受砌缝影响的剪压破坏模型来更为精确的模拟填充墙的受力情况。
（2）有必要建立更合适的模型来模拟填充墙在地震动反应下的裂缝发展情况以及建立空间结构模型进行更合理的整体结构分析。
参考文献：
[1]朱云士，基于强震观测记录的建筑结构抗震性能研究.硕士学位论文.南京：南京工业大学，2004.
[2]童岳生.钱国芳.砖填充墙钢筋框架的变形性能及承载力.西安冶金建筑学院学报.1985.17（2）：1～21.
作者简介：
王晓燕（1985-），女，硕士，主要从事建筑结构及工程经济研究，
张 伟（1984-），男，硕士，主要从事结构工程及工程抗震研究
关键词：震害；框架填充墙；有限元模拟
引言
由于地震灾害频繁发生，钢筋混凝土框架填充墙结构作为一种工程上应用十分普遍的结构体系，每次大地震后都会有大量破坏实例，研究如何提高该类结构的抗震性能对于避免大量建筑损害和人员伤亡具有重大的工程意义。
1、框架结构填充墙的震害特点
钢筋混凝土框架结构主要应用于办公楼，学校，医院及酒店等公共建筑。根据宁洱县建设局提供的宁洱地震震损表，城镇（乡）房屋总计为3270幢（不包括农村民居），其中框架结构为241幢，占总房屋数的7.3%，基本情况如下表所示：
表1 框架房屋震害统计（幢）
总框架数 正常使用 加固使用 拆除
242 160 55 27
占框架总数（%） 65.9 22.5 11.6
经统计分析钢筋混凝土框架结构填充墙破坏特点主要有以下几个方面：
（1）柱墙交接处竖向裂缝和梁底水平裂缝。混凝土框架柱（或梁）与填充墙交接处是混凝土与砌体材料两种不同建筑材料的交汇处，如果没有可靠的连接构造措施，在地震作用下将会在此处产生裂缝。
（2）填充墙斜裂缝。由于墙体刚度较大，吸收地震能量较多，使框架结构房屋中的墙体受剪压作用。填充墙体在承受水平方向的地震作用时，会产生“X”或“八”字形裂缝。
（3）墙体破碎。在地震作用下，由于用于砌筑的砌块强度较低，墙体出现震碎现象。
2、钢筋混凝土框架填充墙有限元模型的建立
2.1 砌体填充墙的有限元模型
砌体是由砌块和砂浆组成的二相复合材料，本文对砌块墙体采用整体连续体模型来分析研究墙体的开裂形式。假设梁、柱为弹性材料采用三维实体单元SOLID45进行模拟；采用SOLID65单元模拟裂缝的特性。采用面-面的接触单元模拟混凝土梁柱与填充墙之间的连接，分别用Contact174和Targe170模拟3-D接触，采用对称接触。考虑到上部砌体墙自重及楼面荷载的影响，在墙顶梁施加面荷载0.2MPa。
2.2 材料本构关系及破坏准则
砌体是一种非均质的、各向异性材料，砌缝是其薄弱环节。用ANSYS专门为钢筋混凝土单元SOLID65开发的CONCRETE材料破坏模型，采用Willam-warnke破坏准则。
2.3加载方式、求解控制和收敛准则
采用在框架边侧的顶点分步施加位移的加载方式来控制其位移角。
2.4 不同尺寸的填充墙裂缝分析
选用5种模型进行对比分析，模型的几何尺寸见表2
表2 不同尺寸的框架填充墙模型
模型号 尺寸（mm2）
跨度×层高 框架柱 框架梁 填充墙体
1 5000×3000 500×500 250×500 4500×2500
2 5000×4000 500×500 250×500 4500×3500
3 5000×5000 500×500 250×500 4500×4500
4 4000×3000 500×500 250×500 3500×2500
5 6000×3000 500×500 250×500 5500×2500
框架梁和柱采用C25混凝土，填充墙用普通粘土砖，其中砖MU10和砂浆M5，单轴抗拉强度平均值取砌体规范值0.13MPa，由砌体规范 MPa，计算墙体材料本构关系见表3与图1
表3 普通粘土砖墙本构关系
应变（1E-4） 5 10 15 20 25 30
应力（MPa） 0.517 0.856 1.078 1.223 1.319 1.381
建立有限元模型，对模型进行分析计算并假定墙下的梁为刚性的。如图2所示：
图1 普通粘土砖墙受压应力应变曲线图 图2 框架填充墙模型图
表4 模型各阶段对应的位移角
填充墙破坏状态 模型1 模型2 模型3 模型4 模型5
初始裂缝 1/559 1/726 1/942 1/630 1/678
裂缝连贯 1/415 1/675 1/789 1/592 1/594
表4分别给出了各模型中的填充墙在出现裂缝和裂缝连贯时对应的位移角，通过与实际值对比可以知：由于对墙体采取了匀质性假定，各模型中墙体的脆性与实际情况有所降低，所以在墙体初裂时的位移角计算值均比实际值大许多，然而在裂缝连贯时的计算值与实际值相差不大，所以本文采用的模型对于研究在层间发生较大变形时发生连贯裂缝的情况是与实际相吻合的。
从模拟的裂缝分布形式可以看出，相同的层间位移角下墙体的破坏程度主要受填充墙的高宽比值影响，相同跨度下随层高的增加其破坏程度也随之严重，即高宽比越大破坏越严重；在水平地震的反复作用下，高宽比较大时其破坏以“X”型为主；而在高宽比较小（1/2以下）时，其破坏是以倒“八”字型为主。分析结果与实际调研时的破坏情况是相同的。
3、结论与建议
3.1 结论
（1）从分析结果及与普通砖砌体填充墙框架结构的试验数据对比中可以看出该数值模拟具有较好精度，说明本文所用模型的选型是科学合理的，与实际情况一致。
（2）通过分析表明：不同尺寸的填充墙的开裂情况是不同的，其受高宽比的影响较大，在相同的跨度下，层高越大破坏越严重。在地震的反复作用下，墙体高宽比较大时的裂缝以“X”型为主，高宽比较小（低于1/2）以倒“八”字型为主。
3.2建议
（1）模型中采用ANSYS中钢筋混凝土单元SOLID65的CONCRETE材料破坏准则来模拟填充墙的开裂情况，有待于寻求能反映砌体受砌缝影响的剪压破坏模型来更为精确的模拟填充墙的受力情况。
（2）有必要建立更合适的模型来模拟填充墙在地震动反应下的裂缝发展情况以及建立空间结构模型进行更合理的整体结构分析。
参考文献：
[1]朱云士，基于强震观测记录的建筑结构抗震性能研究.硕士学位论文.南京：南京工业大学，2004.
[2]童岳生.钱国芳.砖填充墙钢筋框架的变形性能及承载力.西安冶金建筑学院学报.1985.17（2）：1～21.
作者简介：
王晓燕（1985-），女，硕士，主要从事建筑结构及工程经济研究，
张 伟（1984-），男，硕士，主要从事结构工程及工程抗震研究