基于ABAQUS的薄縫砌筑蒸壓加氣混凝土砌塊填充墻框架結構的非線性有限元分析（上）

2016-12-16  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

基于ABAQUS的薄縫砌筑蒸壓加氣混凝土砌塊填充墻框架結構的非線性有限元分析

劉祖運 程才淵

(同濟大學結構工程與防災研究所)

1 引言

隨著人們對建筑材料環(huán)保、節(jié)能方面的要求越來越高,薄灰縫砌筑的填充墻體在砂漿用量與保溫節(jié)能方面都優(yōu)于厚灰縫砌筑的填充墻體?！兑?guī)范》規(guī)定:填充墻應沿框架柱全高每間距500mm~600mm設2Φ6拉筋。薄灰縫砌筑的蒸壓加氣混凝土砌塊填充墻的灰縫厚度僅有2mm~3mm,按照《規(guī)范》的要求,則必定會對砌塊進行開槽,以滿足設置鋼筋的要求,施工起來非常麻煩。本文主要介紹一種適用于薄縫砌筑蒸壓加氣混凝土砌塊填充墻的連接方式——“L型鐵件連接”,并采用ABAQUS有限元軟件進行數(shù)值模擬。

ABAQUS有限元軟件作為一種大型的通用有限元軟件。具有非常強大的非線性分析的功能,在結構領域的應用越來越廣泛。目前國內外對砌體填充墻鋼筋混凝土框架結構的有限元分析主要采用ANSYS有限元技術,基于ABAQUS有限元軟件的填充墻有限元分析研究還不是很充分。本文分別對一榀填充墻厚度為200mm和一榀填充墻厚度為100mm的加氣混凝土砌塊填充墻鋼筋混凝土框架進行有限元建模,并與試驗結果對比分析。來驗證有限元參數(shù)選取的合理性。

2 試驗模型及試驗結果

2.1試驗模型

試驗用框架為C25混凝土澆注,框架填充墻立面尺寸及配筋情況詳見圖l。

填充墻采用上海伊通公司提供的砂加氣混凝土砌塊

試驗模型數(shù)據(jù)見表l。

K-Ql模型推力達到35.4kN時,墻體上出現(xiàn)第一條雙面貫通斜裂縫,荷載回零時裂縫閉合。當拉力達到39.9kN時,墻體上出現(xiàn)第二條雙面斜裂縫,后續(xù)位移控制中,墻體上的斜裂縫除裂縫寬度不斷增加外,其余無甚大發(fā)展。試驗結束時,填充墻上主要裂縫只有兩條,框架主體基本完好,兩側面柔性連接的底部嚴重脫離,框架節(jié)點附近有輕微斜裂縫和水平縫發(fā)展。具體的裂縫分布及破壞形態(tài)見圖2,滯回曲線及骨架曲線見圖6。

K-Q2模型推力達到35kN時,墻體上出現(xiàn)第一條雙面貫通斜裂縫。推力達到24.1kN時,墻體出現(xiàn)第二條雙面貫通斜裂縫。位移控制至±5.0mm時,在推力作用下,鐵件附近出現(xiàn)斜裂縫。隨著荷載的增大,裂縫不斷發(fā)展,墻體上未有新裂縫出現(xiàn),僅裂縫寬度繼續(xù)增加。試驗結束時,框架主體基本完好,底部連接脫離,頂部PU發(fā)泡劑沿一定間距拉裂,兩側面柔性連接底部嚴重脫離,框架節(jié)點附近有輕微斜裂縫和水平縫發(fā)展,具體的裂縫分布及破壞形態(tài)見圖3,滯回曲線及骨架曲線見圖6。

砌體建模一般可分為整體式和分離式兩種模型。整體式模型不考慮砌塊與砂漿之間的相互作用,把砂漿彌散與整個砌體模型中,把砌體看成均勻連續(xù)材料,模型計算簡單,當不考慮砌塊與砂漿之間的相互作用時可以考慮此方法。分離式模型則是將砌塊、砂漿分別建立模型,二者之間的相互作用通過界面單元連接,計算較復雜,但能反映模型各部分之間的相互作用,適用于結構或構件微觀受力狀態(tài)的研究。本文采用ABAQUS計算軟件建立相應的分離式有限元模型,具體建模方法如下:

3.1 單元類型的選取

模型中的混凝土框架、砌塊、專用粘結劑及水泥砂漿采用三維實體單元(C3D8R),鋼筋采用桁架單元(T3D2),填充墻內部、以及填充墻與框架之間的連接采用彈簧單元。

ABAQUS彈簧單元有i種,分別為SPRINGA、SPRINGl 和SPRING2 141單元。SPRINGA單元用于連接兩個節(jié)點之間的軸向彈簧,只在兩個節(jié)點之間的軸向起作用。

SPRINGI單元用于連接節(jié)點和地面,只在固定方向起作用。SPRING2單元用于連接兩個節(jié)點,只在固定的方向起作用。本文中的彈簧全部選用SPRING2單元,在連接兩個節(jié)點的時候分別建立1、2和3方向的彈簧,并設置相應的彈簧剛度來建立連接。

3.2 相互作用

在ABAQUS中的Interaction模塊中,框架中的鋼筋通過采用embedded嵌入到混凝土中去,砌塊與灰縫之問的粘結面采用i向彈簧(SPRING2)來模擬,彈簧剛度根據(jù)試算取50000kN/m,框架與填充墻之間的相互作用通過采用非線性彈簧單元(SPRING2)來模擬,非線性彈簧剛度通過有限元模型的多次試算確定。

L鐵件在施工時,是分別通過射釘同定在框架柱及砌塊上,由于射釘作用力沒有相應的試驗數(shù)據(jù),所以在建模時使用鋼筋近似代替L鐵件的作用,鋼筋與砌塊之間通過定義非線性彈簧來模擬二者之間的粘結滑移關系,通過在鋼筋末端加強彈簧的剛度來近似模擬墻體內射釘?shù)淖饔?/span>,彈簧的剛度選取參照趙成文等做的蒸壓加氣混凝土砌塊砌體中水平灰縫鋼筋錨同的研究。

3.3邊界條件及裁荷

框架底梁采用同接約束,將框架頂梁頂部的網(wǎng)格節(jié)點couple在一個參考點上,然后對參考點施加與試驗加載制度相同的位移條件。有限元模型見圖4。

框架結構的縱筋,采用清華大學陸新征教授開發(fā)的PQ—Fiber模型,該模型具有較好的滯回性能,其它鋼筋采用理想的彈塑性模型。混凝土、砌塊、專用粘結劑及水泥砂漿采用塑性損傷模型。塑性損傷模型的關鍵是正確地定義損傷因子,損傷因子的計算參見文獻。對于受壓恢復因子,ABAQUS中默認的值為1,本文中取0.3。其它具體參數(shù)選取參見陳程等做的加氣混凝土承重墻的抗震性能研究。

——待續(xù)。摘自《建筑砌塊與砌塊建筑 2015》——

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