开洞宽肢异形柱框架—砌块墙组合结构的有限元分析

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【摘 要】本文建立两个几何缩尺比例为1：2的单层钢筋混凝土宽肢异形柱框架-砌块墙组合结构模型，利用ANSYS11.0对其进行非线性有限元分析。重点研究比较了开洞组合结构与无洞组合结构在破坏形态、承载力、变形能力及刚度退化等抗震性能的异同。

【关键词】宽肢异形柱框架；砌块墙组合结构；开洞墙体；抗震性能；非线性有限元分析

1.引言

随着人们生活水平的不断提高，10多层的小高层住宅得到大多数人的青睐。然而，依据规范来讲，异形柱框架结构已经不能满足要求；剪力墙结构由于其自身的两大缺陷（刚度过大；配筋主要是构造筋）也无法满足要求；短肢剪力墙虽然克服了剪力墙自身两大缺陷并且有利于空间布置，但是若要应用在高层建筑中，规范[1]中明确指出，当短肢剪力墙较多时，必须布置为筒体，这样能形成短肢剪力墙与筒体共同抵抗水平力的剪力墙结构，也就是说，这样的建筑中不允许采用全部是短肢剪力墙结构。综上所述，如若能将短肢剪力墙和混凝土小型砌块墙二者相结合，适当提高肢高肢厚比并考虑填充墙与异形柱框架共同工作，形成宽肢异形柱-混凝土砌块组合结构。

宽肢异形柱框架-混凝土小型砌块墙组合结构在施工时，采取先砌墙后浇注混凝土框架梁柱，考虑砌块填充墙与异形柱框架共同工作，适当提高异形柱肢高肢厚比（墙截面各肢的肢高肢厚比在4左右），沿小型砌块墙砌体高度方向，利用U形砌块设置若干道横向构造圈梁，以约束砌块砌体，从而形成宽肢异形柱-混凝土砌块组合结构。

2.开洞钢筋混凝土宽肢异形柱框架-砌块组合墙结构的有限元分析

2.1 模型材料参数设置

本文在不作试验的前提下，与已有的试验[2]进行对比分析。计算模型共计两榀，其中一榀选取单层单跨宽肢异形柱-砌块墙组合结构，采用T形截面异形柱，砌块墙内开洞（以下简称F-1）；另一榀砌块墙内不开洞（以下简称F-2），二者都与实际尺寸几何比例为1：2，框架梁截面为100x300mm，门的尺寸为1050x600mm，砌块墙尺寸为2500x 1500mm，模型形状、尺寸如图2-1所示。

图2-1计算模型尺寸图 单位mm

本文有限元模型设计中，框架梁柱采用Solid65三维空间实体单元，砌块墙采用Solid45单元，钢筋采用Pipe20单元。其中，Solid45单元实常数采用ANSYS默认值，钢筋为双线性随动硬化材料。

2.2有限元模型建立

实体建模采用ANSYS软件，之后须进行网格划分。网格的大小、形状会直接影响受力分析的结果。本文对异形柱框架梁和砌块墙划分网格时都采用六面体单元，钢筋用两节点梁单元，假设钢筋和混凝土粘结良好，采用组合方式，不考虑钢筋和混凝土之间的滑移。

2.3有限元模型加载设置

在实际砌块建筑墙体中，主要是承受材料自重、楼面活荷载等垂直荷载以及地震、风等水平荷载，因此在非线性有限元分析加载时，模型下端为固定端，在柱顶两端施加500kN的垂直荷载，并在整个过程中保持不变，直到试件破坏；水平荷载分为若干个子步进行，施加在柱顶，非线性求解采用牛顿-拉普森法。

3.有限元计算结果分析

3.1有限元模型破坏形态

对T形宽肢异形柱框架-砌块墙结构来说，施加水平荷载至开裂前，框架处于弹性状态，应力云图几乎没有变化，当水平荷载加至106kN时，砌块墙左上角出现应力集中，砌块墙则在右侧上端出现较大应力，水平位移为1.01mm。如图3-1（a）所示。

随着水平荷载的不断增加，应力集中区域沿着砌块墙斜向约450角逐渐向门柱扩展，当荷载达到273kN时，集中区域已经发展到门柱左下角，位移继续增大为4.45mm。如图3-1（b）所示。

当水平荷载为326kN时，砌块墙左侧应力区域扩大的同时水平方向也出现应力集中区域，此时，门柱左下角应力变大，并且右上角逐渐出现应力集中，墙体右侧底端应力明显，这时位移达到11.82mm。如图3-1（c）所示。

当水平荷载循环加至277kN时，水平方向应力区继续扩大，门柱四角与墙体四角同时出现应力集中，450斜裂缝贯通墙体左侧一部分区域，此时水平位移为19.83mm，如图3-1（d）所示。

图3-1（a）

图3-1（b）

图3-1（c）

图3-1（d）

图3-2（a）-图4-8（d）则给出了有限元模型F-2的砌块墙应力云图（注：模型F-2水平荷载加载点选择在右边）。

图3-2（a）

图3-2（b）

图3-2（c）

图3-2（d）

3.2模型承载力分析

通过两个模型应力云图可知，非线性有限元分析结果与试验[2]现象在开裂点、屈服点、极限荷载点及破坏点变化情况几乎一致，说明有限元已经很好的模拟了试验现象。计算中，倘若荷载-位移曲线中出现明显的拐点或水平位移增大时，对应的荷载就是开裂荷载；而当水平位移快速增大时，荷载几乎保持不变，这时对应的荷载为极限荷载（即最大荷载）。图3-3给出有限元模型计算结果与试验结果的荷载-位移曲线对比图。

对比开门洞模型F-1和不开门洞模型F-2，我们可以看出，开门洞墙体模型（即F-1）的初裂荷载和极限荷载均低于不开门洞模型（即F-2），开裂荷载低于2.8%，屈服荷载低于5.5%，极限荷载低于6.1%，破坏荷载低于5.4%，说明门洞对墙体有显著的削弱作用。

比较二者位移来说，开裂荷载位移都很小，约1mm左右，这说明砌块墙体在水平侧移很小的情况下就会出现裂缝，随着荷载的增大，位移侧移幅度增大很快，这说明引起墙体开裂的主要因素是水平侧移过大造成的。

3.3刚度退化分析

试件刚度计算公式为：

（3-1）

其中， 为水平荷载； 为水平位移。为了能更好的比较出带砌块墙框架的刚度，这里将与本模型同尺寸的纯框架结构进行比较，三种模型的刚度计算结果见表3-3所示。

表3-3 模型刚度计算结果

模型编号 刚度计算结果

模型F-1（开洞） 104.95 27.58 13.97

模型F-2（无洞） 73.65 14.71 10.28

纯框架 27.33 10.96 9.12

由上表可以看出，模型F-1、F-2相对于纯框架的开裂刚度分别提高了3.84倍和2.69倍；极限刚度提高了2.52倍和1.34倍；破坏刚度提高了1.53倍和1.12倍。从开裂到最大荷载阶段，带砌块墙的异形柱框架明显高于纯框架结构，而破坏时刚度相差值较小，表明模型F-1和F-2刚度退化速度较快。图3-5给出了从弹性阶段直到破坏整个过程中刚度与位移角的曲线变化图。

图3-5 有限元模型刚度与位移角

曲线变化图

4.结论及建议

本篇论文采用理论分析，通过利用ANSYS11.0软件，模拟了单层钢筋混凝土宽肢异形柱框架-砌块组合墙开洞与无洞两种结构的破坏全过程，最后得出以下几点结论：

（1）由宽肢异形柱框架与混凝土砌块墙组成的结构，具有很好的协同工作性能；

（2）在开裂点、屈服点、极限荷载点及破坏荷载点四种状态下可以看出，有限元计算荷载与试验现象相差不大，但位移出现较大差值，主要是由于有限元建模未考虑墙体间的缝隙所造成的；

（3）通过有限元分析的应力云图可知，模型从开裂到破环的顺序是先砌块墙，后梁柱，在实际工程中可将砌块墙作为抗震第一道防线；

（4）带墙体框架承载能远高于纯框架结构，但墙体开洞会对整体结构刚度及承载力造成明显的影响，洞口面积越大，相应砌块墙刚度退化越快，从而导致整体结构承载力越低，因此在实际应用中，可将框架与墙体相连之处或是洞口边缘进行加固处理，来提高结构的整体承载力；

本文所建立模型仅仅对比了开洞与无洞，没有考虑其他变化因素，倘若开洞墙体结构加入构造柱会对结果产生什么影响等；宽肢异形柱框架-砌块墙组合结构的非线性有限元分析还有待提高和完善，并没有一套自身体系，尤其是砌体结构分析，大多理论还是依赖于钢筋混凝土有限元的成果。

参考文献：

[1]行业标准，JGJ3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S]，2002.

[2]艾兵，吴敏哲，宽肢异形柱框架-混凝土砌块墙组合结构的抗震性能试验研究[D]，西安建筑科技大学博士论文，2009.