框支墙梁墙体抗剪性能研究及其有限元分析

曹 慧,白世和

(西安建筑科技大学土木工程学院,陕西 西安 710055)

在多层民用建筑中,如商店-住宅、饭店 -旅馆等建筑。当采用混合结构时,常在底层的钢筋混凝土楼面梁(称托梁)上砌筑砖墙,它们共同承受墙体自重及由屋盖、楼盖等传来的荷载。这种由支承墙体的钢筋混凝土托梁及其以上高度范围内的墙体所组成的组合构件,称为墙梁。根据支承情况,有简支墙梁、框支墙梁和连续墙梁等。由钢筋混凝土框架梁和其上部计算高度范围内砌体组成的组合结构称为框支墙梁。

《砌体结构设计规范》(GB 50003-2001)第七章中墙梁设计计算方法,特别是墙体抗剪部分的公式建立不太完善,并且没能说明支座最大剪力应当如何取值,仅按简支梁破坏时的极限承载力得出支座剪力取值的最大范围,这显然不适用于框支和连续墙梁。且规范中未考虑翼墙和构造柱的实际影响,只在全荷载的情况下做了大概的分析。本文将集中荷载位置、集中荷载在总荷载中的比重统统化为均布荷载进行墙体抗剪验算,考虑翼墙构造柱的双重作用,通过有限元试算,分析框支墙梁内部的应力变化,找出每个构件最不利剪力,探讨取消墙体抗剪、局压的可能性,尽量提出构造措施,通过电算结果为将来对剪力公式的修订提供参考。

1 正交设计以及有限元分析模型

1.1 材料和构件尺寸

考虑到用 ANSYS分析的整体性,适当进行调整,未严格按照(GB 5003-2001)规范设计。构件中混凝土强度采用C30(Ec=30000 N/mm2,γ=0.2),MU 10烧结多孔砖以及 M 5混和砂浆砌筑墙体(Et=3024N/mm2,γ=0.15),受力钢筋采用 HRB335级(Es=200000 N/mm2,γ=0.3mm)。框架柱截面 500mm×500mm,托梁截面宽度250mm,砖墙宽度 250 mm,墙体构造柱和圈梁截面尺寸分别为 250 mm×250mm,250mm×150mm。底层框架柱总高 4000mm。通过初步分析,墙梁墙体的抗剪主要受以下几个因素影响,托梁高跨比(hb/l)、墙体高跨比(hw/l)、翼墙宽度 By,荷载作用于二层墙顶。正交设计不考虑各个因素间相互作用,两跨等跨(6000 mm)正交设计见表 1。

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1.2 应用 ANSYS软件进行三维有限元分析

用 Solid65单元模拟混凝土梁柱和砌体墙,不考虑材料界面间的滑移。了解框支墙梁在竖向荷载作用下中间支座翼墙卸荷规律,应用积分法得出控制截面内力,模型如图 1。

1.2.1 简化计算

尽可能与实际结构情况相符合,考虑实际情况的复杂性,作以下简化。

(1)框支墙梁由砌体和混凝土框架柱两种材料组成(钢筋影响忽略)。

(2)砌体和混凝土视为匀质材料。

(3)不考虑滑移,整体结构按弹性计算。(4)结构底端为固定端支座。

1.2.2 ANSYS中定义材料、选取单元及网格划分

单元选择:砌体和混凝土采用分离式模型。砌体采用三维 8节点体单元Solid65模拟。使用于混凝土、岩石等抗拉能力的非均匀材料单元。单元由 8个节点,每个节点在空间坐标上有 3个自由度,分别沿三个正交方向发生变形。

单元划分:翼墙部分长度方向 25mm,宽度方向 25mm,高度方向 25mm。柱子和托梁选用 50mm×50mm×50mm,墙体视构件的不同按具体情况划分。

2 结果分析和数据处理

通过有限元分析,在竖向荷载作用下,墙梁中墙体剪应力沿墙体由上至下逐渐增大,墙体顶部剪应力接近于零,靠近托梁处的墙体剪应力最大;跨中附近剪应力较小,支座附近的剪应力较大,沿墙高度范围内剪应力分布规律相似。竖向荷载通过墙体的内拱作用将部分竖向荷载传到支座,产生对称的、方向向外的剪应力,左右两侧剪应力方向相反。墙体中竖向压应力在支座附近最大,跨中附近较小。每跨墙体的应力向两侧支座聚集,显示了明显的内拱作用,数值分析表明,对于两跨框支墙梁两边支座的压应力和剪应力比中间支座的要大,说明在整体结构中形成大拱传力到两边支座,使中间支座应力减小。墙体的受力性能如图 2、图 3[5]。

图1 框支墙梁(带翼墙)的ANSYS模型

图2 竖向荷载作用下墙体各界面压应力分布

图3 竖向荷载作用下墙体各截面剪应力分布

现以无洞口墙梁按正交表(计算跨度取等跨 6000mm,Q2=30 kN/m)计算,得出墙梁和墙体的支座剪力如表 2。

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表2中最后一列为按照(GB 50003-2001)规范中墙梁墙体受剪承载力公式计算。

式中:V2为在荷载设计值 Q2作用下墙梁支座边剪力的最大值;ξ1为翼墙或构造柱影响系数,对单层墙梁取 1.0,对多层墙梁,当 bf/h=3时取1.3,当 bf/h=7或设置构造柱时取 1.5,当 3

有限元模拟结果(表 2)可以看到,墙体在圈梁顶端加均布荷载后,8个构件的最大剪力很相近,且小于规范公式要求的最大剪力值,满足承载力要求,且两跨墙梁在有构造柱情况下,墙梁支座处剪力大部分由构造柱承担,随着翼墙宽度的增加,翼墙卸荷作用表现得越来越明显,尤其在中间支座处表现突出,中间支座处墙体承受的剪力越来越小,翼墙承担的比例越来越多。

3 结论

(1)在两跨框支墙梁中,不仅单跨中分别形成拱的作用,整体结构中也形成了一个大的拱的作用,这个大拱缓和了中间支座处墙体的承载能力,使边支座处墙体剪力增大。

(2)通过有限元试算可知,规范要求剪力曲线完全包络有限元最不利剪力线,因此建议规范取消墙体抗剪承载力验算。

(3)由于规范极限承载值高于有限元计算值,且偏差较大,说明目前规范公式的计算结果其安全储备还较大,容易造成经济的浪费,建议提出必要的构造措施。

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