基于ABAQUS模拟的速接式轻钢构造柱研究

董

(合肥工业大学土木与水利工程学院,合肥 230009)

0 引 言

我国的建筑工程填充墙大多采用砌块砌筑,需要在结构的相关部位增设钢筋混凝土构造柱,构造柱与结构共同作用增强对填充墙的约束作用,避免在地震时墙体散落。在长期工程实践过程中,传统的钢筋混凝土构造柱施工困难、工期和成本等方面存在诸多问题;其设计用材、施工工艺等,已经不适宜现代建筑用材和施工手段,更不符合绿色建筑的要求。为此,本文研究一种轻钢构造柱替代传统的钢筋混凝土构造柱,实现工业化生产,现场快速组装,以提高工效、降低成本、确保工程质量。并为此进行了轻钢构造柱和钢筋混凝土构造柱对比试验。

本文依托轻钢构造柱试验,采用有限元软件ABAQUS模拟轻钢构造柱对加气混凝土砌块填充墙的约束作用。引入混凝土塑性损伤模型模拟填充墙砌体本构关系。通过模拟数据和试验结果对比,为轻钢构造柱设计提供计算方法,以供轻钢构造柱的工程实际应用参考。

1 试验概况及模型参数

1.1 试验模型

为考察轻钢构造柱约束墙体的性能,进行了6片墙体试件的单向加载试验,对比分析了轻钢构造柱约束墙体和混凝土构造柱对墙体的约束能力。其中编号SW-1、SW-2、SW-3为轻钢构造柱墙体试件,编号CW-1、CW-2、CW-3是混凝土构造柱墙体试件,本文主要介绍轻钢构造柱墙体实验。

试件采用钢筋混凝土框架结构,框架梁、柱及配筋均为工程常见做法。填充墙尺寸5 000 mm×2 500 mm,厚度均为200 mm,采用M5.0加气混凝土砌块,构造柱布置在填充墙正中间。轻钢构造柱采用Q235钢材,截面尺寸如图1所示。传统混凝土构造柱采用C20混凝土,采用工程常规做法。填充墙内每隔500 mm布置2根直径6 mm的HRB400通长拉结筋,试验整体模型如图2所示。

图1 轻钢构造柱截面(单位:mm)Fig.1 Normal section of steel-tie-column (Unit:mm)

轻钢构造柱与框架梁连接时,在框架梁的相应位置预埋钢板,将轻钢构造柱焊接在预埋钢板上,需保证焊接的强度不小于混凝土构造柱的连接强度。轻钢构造柱连接详图如图3所示。

1.2 加载方案

在地震力作用下,主要由框架结构承担地震剪力,构造柱不参与抗震计算。砌体填充墙在平面内受框架梁柱约束不会发生倾覆。但在平面外填充墙的约束较弱,主要靠拉结筋拉住墙体,以及构造柱、框架柱与墙体接触面的摩擦力约束墙体,避免填充墙被甩出平面外。本试验模拟地震作用下构造柱和拉结筋发挥作用的原理,故对结构墙体施加平面外水平荷载。

图2 试验整体模型(单位:mm)Fig.2 Model of the test (Unit:mm)

图3 轻钢构造柱与框架梁的连接(单位:mm)Fig.3 Connection of steel-tie-column and frame beams (Unit:mm)

本试验采用单向分级加载,对墙体施加单向对称的平面外水平荷载,荷载通过加载架传递至墙体。每级加载10 kN,直至试件破坏。试件加载面为B面,非加载面为A面。试验加载装置如图4所示。试验的应变片和位移计及其测点布置方案如图5所示。

图4 试验加载装置Fig.4 Figure of the load device

2 有限元模型建立

2.1 ABAQUS模型及参数设定

模型中的框架梁柱、墙体、构造柱均采用实体单元C3D8R建模。混凝土框架内钢筋和墙体内拉结筋采用桁架单元建模。拉结筋的端部节点与轻钢构造柱表面节点采用Tie绑定连结。拉结筋在墙体部分采用Embed内置区域连接。轻钢构造柱上下端与框架梁铰接。框架柱柱底采用刚接,框架梁与框架柱的连接为刚接。试件有限元模型网格划分如图6所示。

图5 测点布置图和测量装置Fig.5 Arrangement of load device and measuring equipment

图6 试验整体有限元模型网格划分Fig.6 Finite element model and mesh division

2.2 材料本构关系

郑妮娜[1]详细介绍了用ABAQUS模拟砌体结构时,采用砌体结构整体式模型分析的优势,即整体式模型基于连续性和均质性的假设,将砂浆和砌块作为一个整体来考虑。此外,考虑到砌体受拉破坏特性与混凝土材料相近,引入混凝土塑性损伤模型建立砌体材料的本构关系。砌体材料本构关系相关参数的设置,经张望喜[2]验证选取合理,其砌体采用混凝土损伤模型与试验较为符合。

目前,关于蒸压加气混凝土砌块的本构关系的研究较少,刘雪梅[3]对蒸压加气混凝土砌块进行了力学性能试验,给出受压应力-应变曲线,并对加气混凝土砌体的抗压性能和抗弯抗拉性能做了深入研究。结合郑妮娜提出的砌体受拉段的简化模型,确定砌筑填充墙本构关系。砌体本构关系表达式如下:

(1)

本文选用ABAQUS整体式模型模拟墙体的受力反应。混凝土框架本构关系模型采用混凝土规范的混凝土单轴受压(拉)应力-应变曲线表达式;钢材的本构关系选择理想的弹塑性材料进行模拟。拉结筋、轻钢构造柱、框架梁柱的材料参数如表1和表2所示。

表1 钢材材料参数表Table 1 Steel properties

表2 砌体与混凝土材料参数表Table 2 Masonry and concrete properties

3 模拟结果对比

根据试验结果,轻钢构造柱片墙最大极限承载力为285 kN (SW-2试件),混凝土构造柱片墙最大极限承载力为235 kN,而编号SW-3、CW-4、CW-6试件极限承载力最小,仅210 kN。试验为对比分析轻钢构造柱片墙和混凝土构造柱片墙,故试件取极限荷载的最小值。为了减小试验的偶然误差,取试件SW-1、SW-2、SW-3的试验数据平均值与有限元模拟结果进行对比。

3.1 拉结筋应力

试件A面拉结筋应力(试件的L11测点即为应力最大部位)的有限元模拟值与试验值对比曲线如7所示,模拟得到的拉结筋应力最大值61.01 MPa,试验得到的应力最大值63.38 MPa。模拟与试验值相差3.74%。拉结筋应力发展均匀缓慢,拉结筋应力远小于钢筋的屈服强度。有限元模拟时,考虑填充墙砌体有一定的抗拉承载力,砌体达到抗拉极限后,主要由拉结筋承担墙体荷载。而试验结果显示,拉结筋在墙体受力之初就发挥了良好的受力作用。

图7 L11拉结筋应力模拟与试验对比Fig.7 Contrast on load-stess curves of tie barbetween calculated and tested values

3.2 墙体位移

墙体位移测点布置在试件A面墙体中心处(试件的S3测点),其有限元模拟与试验对比曲线如图8所示。模拟得到的填充墙最大位移6.569 mm,试验测得填充墙最大位移6.443 mm,模拟与试验值相差1.95%。说明引入混凝土塑性损伤理论确定砌体的本构关系的做法可行。墙体位移发展较小,仅为墙体高度的1/403,且由试验可知墙体破坏时并没有发生倾覆,说明轻钢构造柱约束墙体的效果较好,拉结筋能有效拉结墙体,控制墙体位移发展避免墙体倾倒。

图8 墙体位移模拟与试验对比Fig.8 Contrast on load- displacement curves of wallbetween calculated and tested values

3.3 构造柱位移

轻钢构造柱位移的有限元模拟与试验对比曲线如图9所示。模拟得到的构造柱最大位移0.763 mm,试验测得构造柱最大位移2.657 mm。试验结束后剥开构造柱位移测点附近的抹灰层,发现抹灰层和翼缘外表面有1.5～2 mm的缝隙,这是由于轻钢构造柱和填充墙外侧抹灰层较厚,而墙体位移比轻钢构造柱位移大,导致加载过程中抹灰层和轻钢构造柱翼缘外表面发生了脱离现象,所以位移计测量的位移比实际轻钢构造柱的位移大,如图10所示。试验现象说明水平外荷载较大时抹灰层容易在轻钢构造柱界面脱开,但并不影响轻钢构造柱的作用效果。加载初期软件模拟数据和实验位移数据拟合较好,并且考虑到上述试验现象,认为有限元模拟的结果可以接受。

图9 轻钢构造柱位移模拟与试验对比Fig.9 Contrast on load- displacement curves of steel-tie-column between calculated and tested values

图10 轻钢构造柱与抹灰层脱离Fig.10 Detachment of steel-tie-column and floated coat

构件设计时,保证轻钢构造柱的抗弯刚度不小于传统混凝土构造柱的抗弯刚度。由于轻钢构造柱在工厂加工完成,施工现场仅装配在结构梁上,故轻钢构造柱的强度和抗弯刚度有质量保障。由试验可知,轻钢构造柱的位移很小,仅为构造柱高度的1/940。

3.4 墙体受拉损伤模拟

ABAQUS软件模拟墙体时,混凝土塑性损伤模型在积分点不会出现“真实的裂纹”,但可以通过等效塑性应变模拟“裂缝”出现的位置和形状,从而与试验墙体开裂位置和形状相比较,预判结构的薄弱部位。等效塑性应变是某一节点处塑性应变在整个分析步中的积分,表示了整体的塑性应力累积分布情况。通过显示应力等效塑性应变来显示裂纹的开展情况。填充墙加载面的破坏形态模拟与试验对比如图11所示。

图11 填充墙等效塑性应变分布与试验裂缝情况对比Fig.11 Contrast of distribution of PEEQ by analysis and cracks distribution in testing

墙体受平面外水平线荷载的作用,模拟地震作用下,有墙体向平面外被甩出的趋势。墙体非加载面主要是受拉破坏,加载面墙体主要是受压破坏和受剪破坏。有限元软件模拟的裂缝位置和开展形状与试验结果相近。说明引入塑性损伤的砌体本构模型是可行的。虽然墙体出现裂缝,但试件破坏时并没有倾覆,说明轻钢构造柱对墙体的约束作用、拉结筋的对墙体的拉结都是有效的。

4 结 论

通过ABAQUS对轻钢构造柱砌筑填充墙的单项加载试验进行模拟,验证了基于混凝土塑性损伤模型的砌体本构关系的可靠性。根据有限元软件模拟结果与轻钢构造柱实验结果对比,得到以下结论;

(1) 通过有限元软件模拟与试验对比,模拟结果与试验数据较接近,说明采用有限元软件分析构造柱与墙体协同作用的计算方法可行。

(2) 墙体中的拉结筋应力模拟结果和试验数据吻合较好,且应力远小于钢筋屈服强度。说明拉结筋与轻钢构造柱连接牢固,在墙体开裂后发挥拉结效果较好,保证墙体不会轻易倾覆。

(3) 对墙体采用整体式有限元模型建模分析时,墙体裂缝的位置和形状基本可以通过墙体等效塑性应变云图判断。

(4) 轻钢构造柱的刚度大位移小,在墙体发生位移时,构造柱能有效约束墙体。证明轻钢构造柱能够起到约束墙体的作用,轻钢构造柱应用于建筑工程项目是可行的。

综上所述,轻钢构造柱强度和刚度、约束墙体位移的能力、与拉结筋连接效果均能满足规范对构造柱的使用要求。且轻钢构造柱施工方便,既能保证工程质量,又有利于装配化施工缩短施工周期,故建议轻钢构造柱应用于实际工程中。

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