大震作用下填充墙对框架抗震性能的影响

2016-11-12秦文明周昕江玮骏

安徽建筑 2016年2期

关键词：框架结构层间抗震

秦文明，周昕，江玮骏

（安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230601）

大震作用下填充墙对框架抗震性能的影响

秦文明，周昕，江玮骏

（安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230601）

我国现行的钢筋混凝土框架结构在抗震设计中采用纯框架模型，即不考虑实际填充墙对框架结构抗震性能的影响。仅仅将填充墙的实际重量作为梁的恒荷载加载到计算模型上，并通过折减结构的自振周期来估计填充墙对结构整体刚度的改变，加之设计中为了建筑的使用功能导致填充墙的不规则布置和业主在装修过程中在填充墙上随意开洞甚至移除墙体，造成了框架结构模型的合理性有待商榷。针对该问题，建立考虑填充墙布置和开洞的钢筋混凝土结构计算模型，并在罕遇地震作用下，对模型进行了非线性时程分析。通过对不同模型之间各个参数的对比分析，分析了填充墙上不规则布置和开洞对框架结构抗震性能的影响。

框架填充墙结构；ABAQUS软件；时程分析；匀质化模型

1 概述

框架结构具有开间大，结构形式简答，造价低廉，建设周期短，布置灵活等优点，故在一些二、三线城市，框架结构的建筑形式得到了广泛的应用。框架结构可根据不同的建筑使用要求，布置不同的的功能分区，而填充墙则承担了这种功能分区的职责。但在我国现行的结构设计中，填充墙并不计入结构构件，而是作为非结构构件，设计时也将其处理为等效荷载，附加在梁上。但是这样并未考虑填充墙在实际地震作用中提供的结构刚度。同时，作为非结构构件，在装修过程中，常常因为美观或功能分区的更改等因素，业主随意在填充墙上开洞，甚至拆除墙体，这就更加加剧了结构刚度的不规则变化。又因为地震作用与结构的刚度有关，结构的刚度变化不规则对其自身的抗震性能也有很大程度上的影响。在历次实际震害中，也证明了填充墙对框架结构的破坏机制产生了明显的影响。本文运用有限元软件 Abaqus，对由填充墙不规则布置和大开洞两个方面引起的框架结构在遇到罕遇地震作用下抗震性能的改变进行了模拟和论证。通过对实际工程中存在的问题模拟、分析、验证。

2 填充墙模型选取

填充墙是由砌块与砂浆粘结而成，砂浆的均匀程度，砌块的质量误差，都会引起填充墙材料性质的变化，故填充墙是一种各向异性的非匀质复合材料。在我国现行的框架结构设计中，如pkpm或yjk等主流的软件中并未给出填充墙的模型建立方法，这就导致了计算结果与实际工程有误差，引起的框架结构在地震作用下产生“短柱破坏”、“薄弱层破坏”和“扭转破坏”等。在填充墙模型的确立，除了需要确定填充墙的计算模型、材料的本构模型，还要包括填充墙与框架结构的连接方式的模拟。

经过国内外学者长时间的努力和研究，填充墙的计算模型大体分可归纳为三种：斜压杆模型、匀质化有限元模型以及精细化有限元模型［1］。

2.1 受压杆模型

上个世纪50年代，Polyakov基于桁架理论和填充墙受力特点。将填充墙的计算模型简化为作用于框架梁柱之间的斜压杆，该斜压杆在侧向地震力作用下只受压，杆内无弯矩和剪力。然后为了符合破坏面积的模拟，经过演化，由单压杆改进双压杆甚至多压杆模型。这种简化符合填充墙的受力机理。在实际的震害作用过程中，杆件模型的屈服过程也可以实现填充墙的非线性分析，但是杆件模型并不适合本文研究的工程背景。

2.2 微观有限元模型

在有限元软件的逐渐兴起中，为了追求模型的精确，很多学者提出了微观有限元模型。微观有限元模型考虑了实际填充墙上的砂浆，砌块以及其连接方式。较真实的反映了实际的填充墙。但是该模型单元节点较多，运算效率很低，而且不同材料的连接方式的模拟较为理想化，导致结果往往很难收敛。

2.3 匀质化连续有限元模型

匀质化连续有限元模型是将砌块、砂浆以及填充墙中的拉结筋和构造柱等看成一个整体，采用一个均匀的、各向同性的材料来模拟填充墙。该模型较斜压杆模型能更准确反映填充墙与框架之间的接触关系，又可满足填充墙在实际震害下的受力机理。本文采用ABAQUS中的壳单元来模拟填充墙。国内外的研究人员采用此种方法模拟，精度高，建模快，取得了较好的分析结果。

图1 填充墙模型

3 框架结构有限元模型及地震波选取

本文以ABAQUS软件为分析软件，对填充墙在大震作用下进行了弹塑性时程分析，研究了填充墙侧向刚度对框架结构抗震性能的影响。

3.1 有限元模型的建立

建立 4个钢筋混凝土框架结构模型：空框架模型，满布填充墙模型，开洞填充墙模型和不规则布置填充墙模型，分别编号为模型一到模型四。纵向和横向完全对称，横向2跨，纵向4跨，每跨均为6m× 6m。层高为4层，每层高3.8m。总高15.2m。框架柱尺寸为400mm×400mm，框架梁尺寸均为250mm ×400mm，楼板采用刚性楼板假定，即平面内楼板刚度无限大，在软件中定义为120mm厚。填充墙厚度为240mm厚。

填充墙采用匀质化连续有限元模型来模拟。填充墙的弹性模量E1=4kN/mm2。泊松比μ=0.37，密度ρ=1100kg/m³。模型梁柱板混凝土采用C30。纵向受力钢筋采用HRB335，箍筋采用HPB235。模拟的场地设防烈度为7度，场地土类别为Ⅱ类，设计地震分组为第二组。

软件中模型单元选择如下：梁柱采用beam单元（B31），填充墙和楼板采用shell单元（S4R），钢筋采用三维 2节点桁架单元（T3D2）模拟。材料模型选择如下：混凝土采用弹塑性损伤模型，钢筋采用理想的弹塑性模型，砌体采用脆性断裂模型［2］。梁柱和楼板的连接采用constraint中的tie连接。保证梁和楼板的刚性连接，在选择楼板作为从属面的时候选择surface，从而保证了楼板在平面内的刚度无限大。纵筋和箍筋构成的钢筋骨架通过 embeded嵌入到混凝土的模型中，可以保证钢筋和混凝土之间没有相对滑移。

3.2 地震波的选取

利用 abaqus对结构建立分析模型，并进行动力弹塑性分析。地震波采用EI-centro波，取时为16s，地震波加载的时间步长为 0.02s，根据规范，7度区罕遇地震峰值加速度220cm/s2，故需对地震波峰值更改。

4 动力时程结果分析与讨论

根据各国的抗震规范，震害经验和试验研究以及工程实例等分析得出，用层间位移角和层间位移作为衡量结构变形能力、判断结构是否满足建筑功能要求的指标是合理的。通过对4个模型在大震作用下的非线性时程分析，将各个模型的层间位移角和层间位移作图比较，如下图。

图2 结构层间位移角

图3 大开洞填充墙损伤模型

①有填充墙的框架模型和没有填充墙的空框架模型的各项计算结果相差都比较大，故在我们现在的框架结构设计中忽略填充墙抗震性能的影响是不可取的

②通常情况下，在罕遇地震作用下，对应切有相同峰值加速度的同一地震波，4个模型的层间位移角和层间位移都成下降趋势，即沿着楼层层间位移逐渐减小，底层的层间位移最大，顶层最小［3］。但是在图2中填充墙不规则布置的模型中，层间位移角曲线却出现了“凸起”，说明填充墙的不规则布置，使结构的上下层刚度出现了突变，形成了薄弱层，这对抗震是非常不利的。

③模型一到模型四的最大层间位移角为0.0125、0.0026、0.0067、0.0080，均未超出弹性层间位移角1/50的限值。可见均匀满布填充墙模型的抗震性能最好。说明填充墙改变了结构的刚度，提高了结构的承载力。