崔名相， 陈向荣, 周 剑， 刘中伟

西安建筑科技大学（710055）

填充墙—钢框架结构是在建筑中广泛使用的结构形式。国内外学者对填充墙—钢框架结构的受力性能进行了较为广泛的研究,但对于开洞填充墙—钢框架结构的研究十分有限。

钢框架结构抗侧刚度较低,在多层或高层钢结构建筑中通常采用合适的抗侧力体系来满足钢框架的抗侧力要求，填充墙是框架结构建筑中不可缺少的结构构件,在工程中应用十分广泛。当前这类结构较为常见的设计方法是钢框架承担全部竖向和水平荷载。填充墙构件不作为结构的一部分参与工作[1]。然而填充墙除了起到外围护墙、内隔墙及楼梯电梯间墙体作用外，从结构角度看，当框架受水平力作用时，墙体会参与共同抵抗水平力。

工程设计中，由于功能要求需开设门窗洞口、设置半高墙或底层不设置墙体。墙体平面外的刚度很大，墙体面积的减少降低了结构的承载力和刚度,对结构的抗震性能有很大影响。因此，对开洞填充墙—钢框架结构不同开洞形式进行研究，不仅有较大的理论意义，而且还具有一定的工程应用价值。本文主要研究开门洞口位置的改变对结构受力性能的影响，通过结构分析软件ANSYS对实体填充墙—钢框架和开洞填充墙—钢框架结构进行非线性分析和结构受力特性分析，为开洞填充墙—钢框架结构的设计提供参考。

1 有限元模型

1.1 模型尺寸

表1 门洞位置设置表

填充墙—钢框架结构为二层单跨结构[2]，层高1400，跨度为2400，其梁柱截面均为焊接H型截面，柱截面尺寸H×B×t1×t2为 150mm×150mm×7mm×10mm（翼缘厚为 7mm，腹板厚 10mm）,梁截面尺寸 H×B×t1×t2为 200mm×100mm×6 mm×8mm（翼缘厚为6mm，腹板厚8mm）。柱加劲肋厚度为7mm，位于与梁翼缘相对应的位置，柱顶盖板厚度为15 mm。用多空砖砌体墙作为维护墙，其厚度为150mm。试件设计如表1，其中开洞结构的开洞率均为16.5%。

1.2ANSYS单元类型选取

根据结构的特点，用ANSYS程序[3]对结构进行模拟，钢框架采用三维20结点的SOLID95单元,单元每个结点有3个自由度，填充墙采用8结点的SOLID65单元，单元每个结点有3个自由度。钢框架与墙体之间的接触单元则采用TARGET170和CONTA174，接触面之间的摩擦系数取0.45。

鉴于单元划分直接影响计算结果的准确性和计算速度，划分网格时梁柱结点位置采用自由网格划分[3]，其它部位采用映射网格划分。

钢材的弹性模量Es取1.7993MPa，应力—应变曲线采用多线性随动强化模型，屈服强度为287MPa；砌体弹性模量3.756×103MPa,使用VonMises屈服准则,抗压强度取4.19MPa。

1.3 试件加载设置

为了准确模拟实际受力情况,试件中均在柱端施加80kN的轴力,并以面力的方式施加到柱端的盖板上端截面的所有结点上，在二层梁柱连接处施以Z方向上的约束，防止试件出现平面外失稳，钢框架柱脚施以固端约束。为了模拟底层墙体真实的受力情况，施加约束时，将填充墙与钢框架底部的所有节点的自由度限制为零，使整个截面为固支。另外对二层梁所对应的外侧柱面所有结点进行X方向位移耦合，这时程序将自动产生一个主结点,外力以位移的方式施加于耦合端面的主结点上，施加循环位移荷载。如图1所示。

2 试件的强度和刚度分析

2.1 系列试件骨架曲线分析

由于填充墙的开洞使得结构的承载能力下降，但位置的不同，影响程度是不一样的。表2为MD系列试件的相关数据。

经比较，在循环荷载作用下，MD-1的承载力相对MD-2和MD-3要略大,由于洞口左偏或右偏造成墙体与钢框架之间的粘结面减少，两者之间的摩擦力也相应的减少，钢框架对墙体的约束作用以及墙体对钢框架的支撑作用也会减弱，使结构的承载能力降低。由于加载位置在左侧，MD-2试件比MD-3的承载能力要高,这是因为墙体的承载能力主要是靠受压对角线区域墙体的面积,而MD-3试件（洞口右偏）削弱了对角线区域墙体的面积,造成了MD-3试件承载能力偏低。尽管MD-2试件承载力偏高，但也是因为受压区域面积的减少，使得结构位移很小时，结构就达到了极限状态。

表2 MD系列试件相关数据

KJ试件和MD系列试件骨架曲线如图1所示。

从图1四个试件的的骨架曲线可以得出，MD试件与KJ试件相比,结构的承载力明显下降,MD-1试件延性劣化不明显,而MD-2试件和MD-3试件劣化明显,MD-2试件和MD-3试件更容易发生脆性破坏。MD-2试件在正向加载时曲线变化趋势与KJ试件几乎重合，而反向加载时曲线变化趋势与KJ试件相比差别很大。这正好与MD-3试件相反，MD-3试件在反向加载时曲线变化趋势与KJ试件几乎重合，而在正向加载时变化趋势差别很大。这主要是因为墙体的受力部位集中在受压对角区域，MD-2试件在正向加载时，对角区域面积削弱很小，而反向加载时，由于洞口的偏置，对角区域面积削弱的比较严重,造成了反向加载结构承载能力偏低。MD-1试件洞口位置正好位于受压对角区域的中间，由于应力发展是从受压角部区域逐渐向中间区域发展,中间区域相对受压角部区域应力较小。在循环荷载作用下，就对角区域削弱而言，介于MD-2试件和MD-3试件之间，曲线变化趋势恰好说明了这一点。

由图1和以上分析可以得出，开门洞填充墙-钢框架在循环加载作用下，结构的承载能力下降。而门洞位置的改变，对结构承载力的降低影响不大,但会对结构的延性造成不同程度的影响。洞口离侧向荷载近时墙体其受力性能比洞口在相反边的好。

2.2 试件割线刚度退化曲线分析

KJ试件和MD系列试件割线刚度退化曲线如图2所示。

从图2四个试件的割线刚度退化曲线可以得出,墙体和钢框架的作用，可以增大结构的刚度，但由于墙体开洞造成了结构初始刚度的下降。随着墙体的破坏，试件的割线刚度出现了严重的退化现象。墙体逐渐退出工作，试件的割线刚度也趋向平缓，MD-1试件在位移达到30mm后，和KJ的割线刚度退化趋势趋向一致。

从图2和以上分析可以得出,开洞填充墙—钢框架在循环荷载作用下，割线刚度出现下降，而门洞位置对结构割线刚度的降低影响不大。

3 结论

综合以上分析，可以得出如下结论。

1）由于墙体开洞使得结构的承载力和刚度都有所下降。

2）在循环荷载作用下，门洞位置的改变，门洞口的正中、左偏和右偏，三者的受力性能差别不大，正中的门洞口的承载力要略大些。

3）门洞口位置的改变对结构初始刚度以及刚度退化趋势的影响不大。

4）在地震作用比较大时，洞口的左偏或是右偏，由于接触面的减少,很容易造成墙体的倾倒。因此在实际的设计中，应尽量避免墙体偏置。

[1]GB50017-2003,钢结构设计规范[S]

[2]刘肖凡,霍凯成,谷倩等.新型砌体复合填充墙钢框架体系试验研究及有限元分析[J].西安建筑科技大学学报,2006,38(5):634-638

[3]王新敏著.ANSYS工程结构数值分析[M].人民交通出版社