连接方式对填充墙平面外性能的数值模拟分析

孟龙飞，叶燕华，2，周小方，郝杰，方爱斌

（1．南京工业大学土木工程学院，江苏南京　211800；

2．江苏省绿色建筑工程技术研究中心，江苏南京　210009）

连接方式对填充墙平面外性能的数值模拟分析

孟龙飞1，叶燕华1，2，周小方1，郝杰1，方爱斌1

（1．南京工业大学土木工程学院，江苏南京211800；

2．江苏省绿色建筑工程技术研究中心，江苏南京210009）

为了研究填充墙和框架之间的连接方式对填充墙的平面外性能的影响，通过利用ABAQUS结构非线性软件建立5种不同连接方式的模型，模拟填充墙在平面外力作用下的破坏模式，分析不同模型的荷载位移曲线以及等效塑性应变。研究结果表明：在框架填充墙倒塌破坏中平面外力的影响很大，因此平面外受力越大，墙体可能产生的塑性变形和破坏程度越大；填充墙的平面外承载力也随着填充墙与框架梁、柱的刚性连接而加强，从而保证结构整体的承载力和塑性变形能力。

填充墙；平面外性能；连接方式；数值模拟

以往的震害中，填充墙都出现了复杂的倒塌破坏现象，这些现象引起了广泛关注，通过大量的试验主要研究了填充墙对平面内刚度、承载力和耗能的影响等。实际上，平面外破坏比平面内破坏更容易发生［1-2］。在汶川地震中，大部分框架填充墙结构虽没出现主体结构的破坏，但是有大量墙体开裂，砌块脱落，墙体平面外倾斜或倒塌，甚至整片甩出［3］。就是这种填充墙与框架拉接失效的情况造成了严重的损失。

为了研究建筑的框架填充墙在平面外力作用下的破坏模式和承载能力，通过考察填充墙与框架不同的连接方式对其平面外承载力的影响，对比分析得到影响填充墙平面外承载力的主要规律，从而找到提高填充墙平面外承载力的措施和方法。但是，填充墙平面外试验研究会消耗大量的人力、物力和财力，试验的过程也比较复杂［4］，利用有限元软件对其进行数值模拟分析可以最大程度的减少资源的消耗。因此，选择了单层单跨框架的填充墙模型，应用ABAQUS有限元分析软件模拟填充墙在平面外力作用下的破坏模式，研究其平面外受力性能。

1　模型的建立

1.1框架填充墙的有限元模拟

钢筋混凝土是应用非常广泛的结构类型，并且混凝土结构的材料特性和力学性能研究较成熟，这为有限元数值模拟奠定了基础。本文对钢筋混凝土框架采用分离式建模的方法［5］，分离式方法钢筋模型和混凝土模型同时分开建立，这样方便考虑钢筋和混凝土之间可能存在的滑移以及不规则的变形。为了分析简便，建立的模型忽略钢筋与混凝土之间的粘结滑移。

本文对于填充墙主要采用整体式方法进行建模。由于要研究填充墙平面外承载力和地震作用，墙体容易发生位移，若采用分离式建模方法，砌块单元之间的错动容易使计算收敛困难，而且使用分离式模型计算量较大，成本也会增大。通过验证，整体式建模的计算方法也能较准确地反应墙体平面外受力性能。

1.2模型参数及材料特性

本文选取单层单跨框架填充墙模型，主要考虑框架梁柱与填充墙的边界连接对填充墙平面外承载力的影响，框架柱的截面尺寸为500 mm×500 mm，框架梁的截面尺寸为400 mm×500 mm，填充墙的砌块类型是普通混凝土小型砌块，主砌块的尺寸为390 mm×190 mm×190 mm，辅助砌块尺寸为190 mm×190 mm×190 mm，具体建模如图1所示。

图1　整体式建模示意

建立模型时框架梁、柱及墙板均选择实体单元，定为变形体。由于要考虑砌体填充墙在平面外力作用下的破坏问题，所以要研究砌体的非线性和与框架接触非线性问题，框架梁、柱和墙板均设定为弹塑性本构。框架梁、柱的混凝土强度等级为C30，砌块的强度等级为MU7.5，砂浆的强度等级为MB5，框架梁柱主筋钢筋等级为HRB335，具体见表1。其它材料的相关参数分别按照GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》、GB 50010—2010《混凝土结构规范》和GB 5003—2011《砌体结构设计规范》得到，并由规范计算得到砌体的抗压强度。

表1　材料的特性参数

1.3填充墙和框架之间的连接

填充墙和框架之间的界面相互作用很复杂，本文在ABAQUS软件中主要基于面接触模拟框架填充墙之间的连接关系。砌体填充墙和框架梁、柱边缘之间的连接方式主要有5种模型。模型1为填充墙底部和框架梁刚接，与框架柱和顶梁无连接，这种情况与实际工程不符，仅为了对比分析考虑。模型2为填充墙与顶梁、底梁硬接触和受到摩擦约束作用，与柱无连接作用。模型3为填充墙与框架柱均刚性连接，与底梁和顶梁均无连接约束，这种情况也与实际工程不符，仅作为对比分析。模型4为填充墙与顶梁无连接约束作用，和框架柱及底梁刚接，这种情况类似于填充墙和框架顶梁使用斜砌顶紧而无拉结筋的连接方式。模型5是填充墙和框架梁柱均刚性连接的连接约束。在工程施工过程中，砌筑时大多在墙体顶部和梁用砌块进行斜砌顶紧，设置拉结筋，用混凝土填实，保证梁与墙体之间的连接趋于刚性；柔性连接时框架梁和填充墙顶部之间采用拉筋分段连接；完全脱开时框架梁或柱和填充墙之间无连接作用。本文主要选择了拉结筋连接和软件中粘性接触作为简化填充墙与框架之间的连接方式，通过设置粘性接触系数模拟框架与墙体间不同的连接强度。

1.4加载方式的模拟

通过软件计算得到平面外极限均布荷载，为了得到相对精确的荷载值，本文采用2个荷载步加载的方式模拟试验中的分级加载，首先考虑重力的作用，再对模型墙面作平面外均布荷载分析，荷载子步取0.01 kPa。由于增量步通过力的增长控制，无法得到平面外均布荷载-墙面中点位移曲线的下降段。

2　模拟结果与分析

2.1荷载位移曲线对比

图2列出了在不同连接约束情况下，填充墙的平面外均布荷载-墙面中点位移曲线，通过对比可以得到：模型1填充墙的承载力最低，模型5填充墙的平面外承载力最高，模型3填充墙的平面外承载力次之，模型4与框架柱和底梁有连接作用的填充墙承载力小于模型2的承载力，此现象是因为模型中填充墙长高比为1.3，墙体竖向的约束作用较强，所以填充墙竖向受弯的极限承载力比水平受弯的填充墙平面外承载力强。

图2　边界约束不同的填充墙荷载-位移曲线

由以上对比分析可以得到：填充墙的连接条件对填充墙平面外的承载力影响较大，模型1、模型2、模型3、模型4和模型5填充墙的最大平面外承载力分别为7.35、25.49、13.58、21.92和53.32 kPa。所以本模型中，填充墙与框架梁柱均设置连接时平面外承载力最强，其次是与框架梁连接，形成拱承载机制，墙体竖向受弯的填充墙，而水平受弯和竖向受弯的承载力大小主要取决于填充墙长高比大小。

2.2破坏模式和等效塑性应变对比

图3和图4分别为在不同连接方式下填充墙的平面外破坏模式及填充墙的等效塑性应变分布。

图3　5种模型填充墙的破坏模式和屈服线模式

从图3可以看出，不同边界连接条件的填充墙平面外破坏模式有很大的区别：模型1填充墙发生竖向类似悬臂梁的弯矩，在中部以下容易出现水平裂缝，虽可以避免刚度效应和约束效应的发生，但抗弯能力极差，所以填充墙需要和框架之间设置有效的连接；模型2和模型3是竖向受弯和水平受弯的填充墙，在填充墙中部附近容易产生水平和竖向裂缝；模型4是填充墙与框架柱柔性连接，与顶梁脱开，受三边约束的填充墙容易在顶部中间位置出现裂缝，而且裂缝向下倾斜发展；模型5填充墙边界均受到约束，在受平面外荷载时，填充墙中部会出现较多的裂缝，且向填充墙4个角部发展。通过比较填充墙破坏机制和屈服线模式，可以有效预测不同连接的填充墙平面外倒塌破坏的形式，也得到采用有限元软件计算模拟的可靠性。

图4　不同连接的模型等效塑性压应变对比

从图4可以看出，不同边界连接条件下，填充墙等效塑性压应变的分布和大小有较大的区别：模型1填充墙主要集中在填充墙底部附近的受弯破坏；模型2填充墙主要是墙顶和墙底受到框架约束，其破坏主要集中在墙框接触位置的附近和填充墙中部；模型3填充墙破坏原理和模型2类似，只是主要在框架柱附近与墙接触处、填充墙竖向中部出现塑性应变；模型4中填充墙与柱、底梁刚性连接，非加载的一侧填充墙出现受压塑性变形，填充墙和柱的接触位置上角部出现较大的塑性应变；模型5中填充墙受压破坏除了在墙框部位接触处比较明显，填充墙本身出现了塑性受压变形，变形区域较大。

图5为5种模型框架构件中等效塑性压应变对比。

图5　5种模型框架构件中等效塑性压应变对比

从图5可以看出，随着连接条件的改变，框架的边缘受拉和受压破坏程度逐渐改变，模型1的框架基本没有受拉和受压破坏，其它模型中框架的塑性应变主要出现在与填充墙接触的框架梁柱内侧，而且随着填充墙和框架之间的连接约束增多，填充墙的平面外承载力增大，框架出现塑性应变的范围也增大，模型5的框架出现塑性应变部分最多。

3　结论

（1）若框架填充墙之间有效连接，填充墙边缘受到框架的有效约束，能使填充墙体产生拱效应，提高了墙体平面外强度及抗侧能力。若填充墙与框架无连接，虽然可以避免刚度效应和约束效应的发生，但是填充墙容易发生竖向类似悬臂梁的摆动，所以抗弯能力极差的悬臂梁很难承受这样的摆动。

（2）填充墙和框架梁、柱都设置刚性连接，填充墙的边缘受到框架梁、柱的良好摩擦约束和连接作用，填充墙出现最大塑性应变时，平面外承载力最大，填充墙与框架梁柱间均刚性连接能够更有效地限制填充墙平面外和平面内的受力破坏，减少了填充墙对框架梁柱的不利影响，明显增强了结构的塑性变形能力。

（3）分析比较模型1～模型5的模拟承载力结果发现，平面外力对框架填充墙倒塌破坏影响较大，平面外受力越大，墙体可能产生的塑性变形和破坏程度越大；填充墙与框架梁刚性连接，或与框架柱的刚性连接都加强了填充墙的平面外承载力，能够保证结构整体的承载力和塑性变形能力。

［1］黄靓，施楚贤，熊辉.带砌体填充墙结构在地震作用下的安全性质疑［J］.建筑结构，2005，35（3）：57-60.

［2］黄苗.填充墙对钢筋混凝土框架结构动力性能的影响［D］.长沙：湖南大学，2006.

［3］葛海蓉，叶燕华，彭程，等.连接条件对填充墙倒塌影响的数值模拟分析［J］.南京工业大学学报：自然科学版，2012，34（6）：136-140.

［4］周小方.地震作用下框架填充墙平面外响应数值模拟分析［D］.南京：南京工业大学，2014.

［5］冯学刚，戴君武，王艳茹．基于有限元软件ABAQUS的砌体构地震破坏模拟［C］//低碳经济与土木工程科技创新.2010中国（北京）国际建筑科技大会论文集．北京：科学出版社，2010：195-200．

Numerical simulation and analysis of out-of-plane behavior for filler wall under different connecting ways

MENG Longfei1，YE Yanhua1，2，ZHOU Xiaofang1，HAO Jie1，FANG Aibin1
（1.College of Civil Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 211800，Jiangsu，China；
2.Jiangsu Green Building Research Center，Nanjing 210009，Jiangsu，China）

In order to study the influence of connection ways between the filler wall and frame on the out-of-plane behavior of the filler wall，five models for different connection ways were established by using ABAQUS.The software simulated the failure mode of the filler wall under out-of-plane stress and analyzed load displacement curve and the equivalent plastic strain of different models.The research indicated that：the out-of-plane stress has a great effect on the collapse of the frame infilled wall so that the greater out-of-plane stress is，the greater the plastic deformation and destruction produced by the wall body will be；the outof-plane bearing capacity of the filler wall is strengthened as rigid connection between filler wall and frame beams or columns，so as to ensure the bearing capacity of the whole structure and the plastic deformation capacity.

filler wall，out-of-plane behavior，connecting ways，numerical simulation

TU362；TU375.4

A

1001-702X（2015）09-0047-04

国家自然科学基金项目（51178218）

2015-05-17；

2015-07-02

孟龙飞，男，1990年生，江苏常州人，硕士，主要研究方向为混凝土结构。