砌體填充墻RC框架的微觀有限元分析,建筑結(jié)構(gòu)論文

砌體填充墻RC框架的微觀有限元分析,建筑結(jié)構(gòu)論文國外對砌體填充墻RC框架的理論研究主要有兩種思路，一種是對宏觀簡化模型的研究，一種是對微觀精細化模型的研究?？蚣?填充墻互相作用能夠造成多種可能的失效機制，包括填充墻的開裂和壓碎以及柱子的抗剪失效。宏觀的簡化模型僅僅能夠用來研究構(gòu)造的整體宏觀性能，很難反映構(gòu)件間的互相作用及復雜的失效形式，更無法表征構(gòu)造的細部毀壞特性和失效發(fā)展經(jīng)過。砌體填充墻RC框架的微觀精細化模型早在1967年Mallick和Seven就已提出，采用了微觀有限元方式方法對砌體填充墻RC框架的作用機制進行理論分析。當前為止，砌體填充墻RC框架微觀單元建模方式方法構(gòu)成了下面幾種：第一種方式方法是僅從整體方面來考慮砂漿，將填充墻簡化為均勻?qū)嶓w，RC框架與填充墻之間通過接觸或者耦合連接，當模擬大面積的砌體填充墻RC框架時該方式方法較為準確，只考慮整體效應，忽略了細部信息。Chiou等、Schmidt等、Ghosh等的研究均基于這個方式方法。第二種方式方法是將填充墻視為連續(xù)體材料，砂漿采用界面單元相連，RC框架與填充墻之間通過接觸或者耦合連接，Lotfi等和Attard等的模擬均是基于連續(xù)體方式方法。之后，Mehrabi和Shing提出了一種更為精細化的連接面模型，這種模型能夠充分的模擬連接面的剪切膨脹、壓縮硬化以及法向壓縮等特性，Al-Chaar等也曾用這種方式方法對砌體填充墻RC框架進行有限元模擬分析，Shing等采用了聯(lián)合離散裂縫和彌散裂縫的方式方法模擬砌體填充墻RC框架的各種毀壞機制；第三種方式方法是將填充墻視為砌塊和砂漿構(gòu)成的復合體材料，這種建模方式對計算機要求較高，能將這種建模思想成功的運用于有限元模擬的還比擬少。本文基于美國加州大學伯克利分校Taylor教授研發(fā)的FEAP有限元分析平臺，結(jié)合Shing等人最新提出的聯(lián)合彌散和離散裂縫單元等建模方式方法，成功實現(xiàn)對砌體填充墻RC框架建模的二次開發(fā)，對砌體填充墻RC框架的研究針對性強，克制了大型通用有限元軟件研究此類構(gòu)造的缺點，直觀地得到了填充墻裂縫開展及應力發(fā)展趨勢、填充墻與RC框架的互相作用機制和失效形式，準確地模擬了砌體填充墻RC框架的承載能力與變形能力。1、砌體填充墻RC框架的微觀有限元建模方式方法1.1彌散和離散裂縫微觀單元砌體填充墻RC框架的毀壞形式較為復雜，不僅要考慮墻體的彎、剪毀壞，而且需考慮灰縫造成構(gòu)造的滑移毀壞，灰縫的存在對填充墻毀壞形式影響很大，一些簡化的模擬方式方法根本無法模擬構(gòu)造的失效方式。砌體填充墻RC框架的失效方式主要是構(gòu)造的主剪切裂縫和彌散彎曲裂縫的發(fā)展、砂漿薄弱處的毀壞以及砌塊的壓碎，模擬RC框架和砌體墻可能的失效機制最重要的是選擇兩方面：第一是本構(gòu)模型；第二是離散方案。本文選用能夠捕捉混凝土脆性行為的界面斷裂彌散裂縫模型描繪敘述混凝土和砌塊非線性行為的連續(xù)性行為，以及離散裂縫模型描繪敘述混凝土構(gòu)件、砌塊和砂漿連接的不連續(xù)行為。彌散裂縫是指將不連續(xù)的單元裂縫用連續(xù)的分布裂縫來代替，它是模擬混凝土和砌體彌散開裂和受壓失效的一種有效的方式方法；在砌體填充墻中，砂漿連接處是砌體填充墻的薄弱面，利用離散開裂方案模擬；聯(lián)合彌散和離散裂縫模型能夠精到準確模擬RC框架構(gòu)造的各種不同的失效形式。1.2本構(gòu)模型混凝土合適用彈塑性單元來模擬，而簡單的非線性正交材料準則既能提高計算效率又能模擬受拉毀壞經(jīng)過，本文的彌散裂縫單元將兩種模型相結(jié)合使用。在本文模型中，拉伸斷裂是受張力委屈服從準則，而受壓無裂紋材料的行為根據(jù)VonMises毀壞準則。當?shù)竭_VonMises委屈服從面時，塑性行為由J2塑性模型代替，在初始委屈服從面和最終的毀壞面之間，該材料呈現(xiàn)出應變硬化行為，隨之發(fā)生應變軟化直到到達最終毀壞面。離散裂縫本構(gòu)模型采用4節(jié)點0厚度、各項同性的線性單元表示，采用連續(xù)方式描繪敘述斷裂型、斷裂II型和混合形式斷裂。這種方式對于模擬密閉裂縫的剪脹效應有重要意義，該模型遵循經(jīng)典的彈塑性委屈服從準則。1.3離散方案為進行微觀精細化建模，本文離散裂縫與彌散裂縫均用實體單元模擬，然后將屬性賦予實體單元，選用兩種形式的實體單元，框架混凝土單元選用4節(jié)點四面體模擬，填充墻砌塊選用8節(jié)點六面體模擬。鋼筋混凝土單元常被離散化成矩形網(wǎng)格單元，每個四邊形單元能夠被彌散裂縫單元和離散裂縫單元來替代，每個模塊由四個三角形彌散裂縫單元與四個對角位置的雙節(jié)點零厚度的離散裂縫單元組成，如此圖1(a)，每個模塊與相鄰的模塊在水平與豎直的方向用離散裂縫單元來模擬。彎曲和剪切鋼筋單元常用桁架單元模擬，便于在劃分混凝土單元時選擇鋼筋的位置。如此圖1(b)、(c)，每個單元被離散成了大量的模塊，離散裂縫可沿著水平裂縫和斜裂縫的方向共同發(fā)展。對于砌體填充墻，將其簡化成砌塊結(jié)合零厚度離散裂縫單元，砂漿灰縫單元用零厚度離散裂縫單元來模擬，如此圖2(a)。砌塊模擬為界面處用豎直離散裂縫單元連接的兩個矩形連續(xù)單元，能夠用來模擬砌塊的拉裂和相對旋轉(zhuǎn)或者是斷裂單元的滑移運動；用尺寸為半塊的砌塊單元模擬彌散裂縫單元的受壓失效表征砌塊壓碎，如此圖2(b)所示。2、砌體填充墻RC框架微觀有限元分析2.1有限元模型驗證選用文獻[11]中AndreasStavridis所研究的試件8進行驗證本文的有限元模型，試驗與有限元分析結(jié)果比照如此圖3所示。豎向總荷載為293.6kN，每根柱子和梁均承受1/3的豎向荷載。水平荷載采用位移控制加載，試驗后的試件如此圖3(a)所示，梁柱節(jié)點處容易發(fā)生毀壞，墻體主要沿對角線發(fā)生毀壞。產(chǎn)生的受壓裂縫及彎曲裂縫分別如此圖3(b)、(c)所示，受壓裂縫呈X型，線的長度對應裂縫的長度，受彎裂縫通過一條線反響開裂方向。試驗現(xiàn)象與分析結(jié)果吻合很好。裂縫主要發(fā)生在墻體，梁也有少量裂縫，柱子幾乎沒有裂縫，從宏觀角度來看，這符合實際裂縫位置的分布，也符合強柱弱梁的原則。如此圖3(d)所示，砌體填充墻RC框架的基底剪力峰值本文分析結(jié)果為200kN，與文獻[11]的結(jié)果190kN什么接近。兩條Pushover曲線近乎重合，講明了本文基于FEAP建立的砌體填充墻RC框架有限元模型的準確性與精到準確性。2.2四層單跨砌體填充墻RC框架構(gòu)造分析選取文獻[12]振動臺試驗1:2縮尺模型中的一部分，即一榀四層單跨砌體填充墻RC框架作為分析對象，模型的總高為6.6m，底座高為0.3m，首層層高為1.8m，二層到四層層高均為1.5m，構(gòu)造跨度為2.5m，本框架在試驗中每層的負重為0.45t。如此圖4，柱子尺寸均為200mm200mm，縱筋為812，箍筋為6，間距為60mm；梁尺寸均為125mm250mm，縱筋為412，箍筋為6，間距為60mm。采用C30混凝土，砌塊為經(jīng)切割后1/4大小的燒結(jié)黏土磚，尺寸為120mm57.5mm53mm。構(gòu)造的有限元模型如此圖5(a)所示，原有構(gòu)造的負重在分析中以豎向荷載的形式施加，以倒三角形式逐級施加單調(diào)水平荷載作用，構(gòu)造的變形如此圖5(b)所示。梁柱節(jié)點處最容易發(fā)生毀壞，而砌體填充墻體主要沿對角線發(fā)生毀壞。填充墻毀壞主要發(fā)生受彎裂縫，幾乎不發(fā)生受壓裂縫，并且裂縫更多地集中在低層。在水平荷載作用下，構(gòu)造每層主要在填充墻角部與梁柱節(jié)點處發(fā)生細小裂縫，頂層開裂較少；隨著側(cè)向位移增加，首層角部裂縫的范圍逐步增大，沿著對角線方向開裂，梁、柱受拉方向也產(chǎn)生裂縫，其它層裂縫增加較少；隨著側(cè)向位移進一步增加，首層沿著對角線方向的裂縫逐步變寬，梁柱裂縫基本不再增加。如此圖5(c)所示，在側(cè)向位移為48.8mm時，首層填充墻沿對角線方向幾乎都已開裂，裂縫基本穩(wěn)定。在水平荷載作用下框架產(chǎn)生側(cè)向變形，首先在角部對填充墻產(chǎn)生作用，使填充墻在角部出現(xiàn)應力集中；隨著位移繼續(xù)增大，填充墻等效應力比擬大的區(qū)域呈以一定帶寬沿對角分布；最后整片墻體沿對角線開裂，對角線附近應力幾乎為0，構(gòu)造在側(cè)向位移為48.8mm時的應力云圖如此圖5(d)所示。四層單跨砌體填充墻RC框架的基底剪力與頂部位移Pushover曲線如此圖6所示，在構(gòu)造頂部側(cè)向位移在0~8.1mm之間，在填充墻角部出現(xiàn)裂縫直至沿對角線整體開裂前，砌體填充墻RC框架的基底剪力與頂部位移曲線表現(xiàn)為直線上升，處于彈性階段，這是由于填充墻在未壓壞之前，受周邊梁柱約束，墻體和RC框架為整體受力，沒有明顯的剛度退化；側(cè)向位移超過8.1mm后，在填充墻毀壞之后，構(gòu)造整體剛度有所下降，但基底剪力仍單調(diào)遞增；在側(cè)向位移到達84.3mm時，基底剪力到達了峰值，為334kN，之后梁柱開場開裂，構(gòu)造剛度迅速下降，構(gòu)造開場倒塌，曲線出現(xiàn)下降段。3、結(jié)論本文基于FEAP軟件對砌體填充墻RC框架進行微觀單元有限元分析，聯(lián)合采用彌散與離散裂縫單元模擬RC框架與砌體填充墻，經(jīng)美國加州大學圣地亞哥分校UCSD的試驗結(jié)果的驗證，本文的有限元模型具有較高的準確性與精到準確性。分析結(jié)果表示清楚：裂縫更多地集中在低層；砌體填充墻RC框架構(gòu)造每層的梁柱節(jié)點處容易產(chǎn)生裂縫，此時構(gòu)造處于線彈性階段，Pus