雷 晴 甘元初 王劲松 梁 鹏 杨 鑫,2

(1.南华大学，湖南 衡阳 421000; 2.南华大学长三角(诸暨)研究院，浙江 绍兴 312000; 3.三亚市城市规划设计研究院，海南 三亚 572000)

1 概述

钢筋混凝土(RC)框架结构是世界范围内最广泛使用的结构形式之一，其具有结构布置灵活、施工便捷等特点。蒸压加气混凝土(ALC)板具有自重轻、保温隔热性能好、隔音效果强、不易燃烧、安装简捷等优点，在围护墙体中的应用日益增多[1]。2008年汶川8.0级地震、2010年玉树7.1级地震中，大多数框架结构均表现出良好的抗震性能，但填充墙破坏严重[2],严重危害了人民的生命安全，造成财产损失。因此，有必要研究填充墙对框架结构的影响机制。

目前，国内外研究人员针对填充墙RC框架抗震性能进行了许多研究。翟长海等[3]设计制作了4块足尺砌体填充墙试件进行拟静力试验，并通过数值模拟研究不同参数的影响；ALC板作为一种新型建筑材料，目前学界对其抗震性能的研究较少，一些学者针对使用钢框架[4]或钢管混凝土框架[5]的ALC板填充墙框架研究其抗震性能。

本文使用ABAQUS有限元分析软件对ALC板填充墙RC框架结构进行了分离式数值建模，通过对比文献[6]中的试验结果验证了数值模型的适用性与参数选取的准确性，为ALC板填充墙的推广应用提供参考意见。

2 有限元建模方法

2.1 试验模型简介

2017年，英国贝尔法斯特女王大学Cai Gaochuang[6]通过拟静力试验研究了三种填充墙RC框架结构的抗震性能，试验的结构为单层单跨。本文对其中两个：无填充墙空框架和填充ALC板框架的试验模型进行数值模拟，其框架的详细尺寸和配筋如图1所示。ALC板填充墙模型采用A5.0级的ALC板材。试件上部通过两个耦合点分别在柱端施加570 kN的均布荷载,水平荷载则通过梁端的耦合点设置。全程采用位移控制,取水平向左为正向加载，每级荷载加载一遍，水平荷载降低到85%或位移角大于1/30时停止加载。

2.2 模型参数设定

模型中的框架梁柱、ALC板填充墙、地梁均采用节点线性六面体减缩积分单元(C3D8R)建模。模型内所有钢筋采用两结点线性三维桁架单元(T3D2)建模。混凝土框架各部件之间采用Tie绑定连接，混凝土框架与填充墙之间的接触用三向弹簧模拟，钢筋笼通过内嵌区域(Embedded Region)与RC框架连接，这种连接方式忽略了钢筋与混凝土之间的滑移作用，但可以极大的简化分析过程。

2.3 材料本构关系

钢筋采用双折线模型，第一段折线钢筋处于弹性阶段，此时折线斜率为杨氏模型Es。第二段折线钢筋处于强化阶段，此时折线斜率为强化杨氏模量E，取E=0.01Es。如图2所示，其中钢筋在A点处发生屈服，在B点处达到受拉极限。钢筋各项参数如表1所示。

表1 钢筋材料参数

考虑到本试验需模拟混凝土在往复荷载作用下的受力情况，故选用ABAQUS中的塑性损伤模型，混凝土本构曲线参照GB 50010—2010混凝土结构设计规范[7]拉压应力—应变曲线及相关参数，如图3所示。

ALC板材料的本构模型受压应力—应变曲线如下：

其中，X=ε/εpr;Y=σ/fpr；ε,σ分别为ALC板材料的应变及应力；fpr为ALC板材料抗压强度，取5.0 MPa;εpr为峰值压应变，取0.003。

ALC板受拉本构参考普通混凝土受拉本构曲线，并认为材料的抗拉强度约为其抗压强度的1/10。

3 模拟与试验对比分析

3.1 峰值荷载

根据上述建模方法对钢筋混凝土空框架及未开洞填充ALC板RC框架进行建模，两榀框架的有限元分析对比结果如表2所示。由表2可知，两榀框架正负向峰值荷载的有限元模拟结果和试验结果存在一定偏差，主要原因有以下几个方面:1)在计算ALC板材料本构时部分使用了混凝土本构计算公式，造成一定误差；2)有限元模型未考虑墙板间的拼缝，将复合墙视为一个整体；3)试件制作过程中施工质量存在客观差异，而数值模型的建立无法模拟这种随机性，两者有一定偏差。

表2 水平承载力误差对比

3.2 滞回曲线

文献[6]中给出了未开洞ALC板填充墙RC框架和空框架的滞回曲线，本文通过数值模拟得到了两个模型的滞回曲线，对比如图4所示。由图4可知，实验曲线中部存在明显的“捏拢效应”，而模拟曲线在中部位置较“饱满”。文献[8]认为，滞回曲线的“捏拢”主要表现为构件的荷载—位移曲线在卸载阶段刚度迅速降低，其根本原因是混凝土受拉区的开裂以及钢筋的滑移。由于有限元模型未考虑混凝土与钢筋的滑移，仅用嵌入命令简化处理，所以模拟曲线的中部位置相对“饱满”。

综上，通过对比两榀框架试验和模拟的峰值荷载、滞回曲线，其数据误差均在10%以内，屈服点也基本相似，计算模型与实验吻合较好，验证了数值模拟的准确性和适用性。

4 结语

本文使用ABAQUS有限元分析软件对ALC板填充墙RC框架结构进行了分离式数值建模，得到的峰值荷载及滞回曲线与试验的结果较为吻合，本文采用的材料本构关系得到验证，同时也验证了分析时选取的模型的合理性与适用性，为后续研究ALC板填充墙RC框架的抗震性能影响提供参考意见。