砌体填充墙RC框架的微观有限元分析,建筑结构论文

砌体填充墙RC框架的微观有限元分析,建筑结构论文国外对砌体填充墙RC框架的理论研究主要有两种思路，一种是对宏观简化模型的研究，一种是对微观精细化模型的研究。框架-填充墙互相作用能够造成多种可能的失效机制，包括填充墙的开裂和压碎以及柱子的抗剪失效。宏观的简化模型仅仅能够用来研究构造的整体宏观性能，很难反映构件间的互相作用及复杂的失效形式，更无法表征构造的细部毁坏特性和失效发展经过。砌体填充墙RC框架的微观精细化模型早在1967年Mallick和Seven就已提出，采用了微观有限元方式方法对砌体填充墙RC框架的作用机制进行理论分析。当前为止，砌体填充墙RC框架微观单元建模方式方法构成了下面几种：第一种方式方法是仅从整体方面来考虑砂浆，将填充墙简化为均匀实体，RC框架与填充墙之间通过接触或者耦合连接，当模拟大面积的砌体填充墙RC框架时该方式方法较为准确，只考虑整体效应，忽略了细部信息。Chiou等、Schmidt等、Ghosh等的研究均基于这个方式方法。第二种方式方法是将填充墙视为连续体材料，砂浆采用界面单元相连，RC框架与填充墙之间通过接触或者耦合连接，Lotfi等和Attard等的模拟均是基于连续体方式方法。之后，Mehrabi和Shing提出了一种更为精细化的连接面模型，这种模型能够充分的模拟连接面的剪切膨胀、压缩硬化以及法向压缩等特性，Al-Chaar等也曾用这种方式方法对砌体填充墙RC框架进行有限元模拟分析，Shing等采用了联合离散裂缝和弥散裂缝的方式方法模拟砌体填充墙RC框架的各种毁坏机制；第三种方式方法是将填充墙视为砌块和砂浆构成的复合体材料，这种建模方式对计算机要求较高，能将这种建模思想成功的运用于有限元模拟的还比拟少。本文基于美国加州大学伯克利分校Taylor教授研发的FEAP有限元分析平台，结合Shing等人最新提出的联合弥散和离散裂缝单元等建模方式方法，成功实现对砌体填充墙RC框架建模的二次开发，对砌体填充墙RC框架的研究针对性强，克制了大型通用有限元软件研究此类构造的缺点，直观地得到了填充墙裂缝开展及应力发展趋势、填充墙与RC框架的互相作用机制和失效形式，准确地模拟了砌体填充墙RC框架的承载能力与变形能力。1、砌体填充墙RC框架的微观有限元建模方式方法1.1弥散和离散裂缝微观单元砌体填充墙RC框架的毁坏形式较为复杂，不仅要考虑墙体的弯、剪毁坏，而且需考虑灰缝造成构造的滑移毁坏，灰缝的存在对填充墙毁坏形式影响很大，一些简化的模拟方式方法根本无法模拟构造的失效方式。砌体填充墙RC框架的失效方式主要是构造的主剪切裂缝和弥散弯曲裂缝的发展、砂浆薄弱处的毁坏以及砌块的压碎，模拟RC框架和砌体墙可能的失效机制最重要的是选择两方面：第一是本构模型；第二是离散方案。本文选用能够捕捉混凝土脆性行为的界面断裂弥散裂缝模型描绘叙述混凝土和砌块非线性行为的连续性行为，以及离散裂缝模型描绘叙述混凝土构件、砌块和砂浆连接的不连续行为。弥散裂缝是指将不连续的单元裂缝用连续的分布裂缝来代替，它是模拟混凝土和砌体弥散开裂和受压失效的一种有效的方式方法；在砌体填充墙中，砂浆连接处是砌体填充墙的薄弱面，利用离散开裂方案模拟；联合弥散和离散裂缝模型能够精到准确模拟RC框架构造的各种不同的失效形式。1.2本构模型混凝土合适用弹塑性单元来模拟，而简单的非线性正交材料准则既能提高计算效率又能模拟受拉毁坏经过，本文的弥散裂缝单元将两种模型相结合使用。在本文模型中，拉伸断裂是受张力委屈服从准则，而受压无裂纹材料的行为根据VonMises毁坏准则。当到达VonMises委屈服从面时，塑性行为由J2塑性模型代替，在初始委屈服从面和最终的毁坏面之间，该材料呈现出应变硬化行为，随之发生应变软化直到到达最终毁坏面。离散裂缝本构模型采用4节点0厚度、各项同性的线性单元表示，采用连续方式描绘叙述断裂型、断裂II型和混合形式断裂。这种方式对于模拟密闭裂缝的剪胀效应有重要意义，该模型遵循经典的弹塑性委屈服从准则。1.3离散方案为进行微观精细化建模，本文离散裂缝与弥散裂缝均用实体单元模拟，然后将属性赋予实体单元，选用两种形式的实体单元，框架混凝土单元选用4节点四面体模拟，填充墙砌块选用8节点六面体模拟。钢筋混凝土单元常被离散化成矩形网格单元，每个四边形单元能够被弥散裂缝单元和离散裂缝单元来替代，每个模块由四个三角形弥散裂缝单元与四个对角位置的双节点零厚度的离散裂缝单元组成，如此图1(a)，每个模块与相邻的模块在水平与竖直的方向用离散裂缝单元来模拟。弯曲和剪切钢筋单元常用桁架单元模拟，便于在划分混凝土单元时选择钢筋的位置。如此图1(b)、(c)，每个单元被离散成了大量的模块，离散裂缝可沿着水平裂缝和斜裂缝的方向共同发展。对于砌体填充墙，将其简化成砌块结合零厚度离散裂缝单元，砂浆灰缝单元用零厚度离散裂缝单元来模拟，如此图2(a)。砌块模拟为界面处用竖直离散裂缝单元连接的两个矩形连续单元，能够用来模拟砌块的拉裂和相对旋转或者是断裂单元的滑移运动；用尺寸为半块的砌块单元模拟弥散裂缝单元的受压失效表征砌块压碎，如此图2(b)所示。2、砌体填充墙RC框架微观有限元分析2.1有限元模型验证选用文献[11]中AndreasStavridis所研究的试件8进行验证本文的有限元模型，试验与有限元分析结果比照如此图3所示。竖向总荷载为293.6kN，每根柱子和梁均承受1/3的竖向荷载。水平荷载采用位移控制加载，试验后的试件如此图3(a)所示，梁柱节点处容易发生毁坏，墙体主要沿对角线发生毁坏。产生的受压裂缝及弯曲裂缝分别如此图3(b)、(c)所示，受压裂缝呈X型，线的长度对应裂缝的长度，受弯裂缝通过一条线反响开裂方向。试验现象与分析结果吻合很好。裂缝主要发生在墙体，梁也有少量裂缝，柱子几乎没有裂缝，从宏观角度来看，这符合实际裂缝位置的分布，也符合强柱弱梁的原则。如此图3(d)所示，砌体填充墙RC框架的基底剪力峰值本文分析结果为200kN，与文献[11]的结果190kN什么接近。两条Pushover曲线近乎重合，讲明了本文基于FEAP建立的砌体填充墙RC框架有限元模型的准确性与精到准确性。2.2四层单跨砌体填充墙RC框架构造分析选取文献[12]振动台试验1:2缩尺模型中的一部分，即一榀四层单跨砌体填充墙RC框架作为分析对象，模型的总高为6.6m，底座高为0.3m，首层层高为1.8m，二层到四层层高均为1.5m，构造跨度为2.5m，本框架在试验中每层的负重为0.45t。如此图4，柱子尺寸均为200mm200mm，纵筋为812，箍筋为6，间距为60mm；梁尺寸均为125mm250mm，纵筋为412，箍筋为6，间距为60mm。采用C30混凝土，砌块为经切割后1/4大小的烧结黏土砖，尺寸为120mm57.5mm53mm。构造的有限元模型如此图5(a)所示，原有构造的负重在分析中以竖向荷载的形式施加，以倒三角形式逐级施加单调水平荷载作用，构造的变形如此图5(b)所示。梁柱节点处最容易发生毁坏，而砌体填充墙体主要沿对角线发生毁坏。填充墙毁坏主要发生受弯裂缝，几乎不发生受压裂缝，并且裂缝更多地集中在低层。在水平荷载作用下，构造每层主要在填充墙角部与梁柱节点处发生细小裂缝，顶层开裂较少；随着侧向位移增加，首层角部裂缝的范围逐步增大，沿着对角线方向开裂，梁、柱受拉方向也产生裂缝，其它层裂缝增加较少；随着侧向位移进一步增加，首层沿着对角线方向的裂缝逐步变宽，梁柱裂缝基本不再增加。如此图5(c)所示，在侧向位移为48.8mm时，首层填充墙沿对角线方向几乎都已开裂，裂缝基本稳定。在水平荷载作用下框架产生侧向变形，首先在角部对填充墙产生作用，使填充墙在角部出现应力集中；随着位移继续增大，填充墙等效应力比拟大的区域呈以一定带宽沿对角分布；最后整片墙体沿对角线开裂，对角线附近应力几乎为0，构造在侧向位移为48.8mm时的应力云图如此图5(d)所示。四层单跨砌体填充墙RC框架的基底剪力与顶部位移Pushover曲线如此图6所示，在构造顶部侧向位移在0~8.1mm之间，在填充墙角部出现裂缝直至沿对角线整体开裂前，砌体填充墙RC框架的基底剪力与顶部位移曲线表现为直线上升，处于弹性阶段，这是由于填充墙在未压坏之前，受周边梁柱约束，墙体和RC框架为整体受力，没有明显的刚度退化；侧向位移超过8.1mm后，在填充墙毁坏之后，构造整体刚度有所下降，但基底剪力仍单调递增；在侧向位移到达84.3mm时，基底剪力到达了峰值，为334kN，之后梁柱开场开裂，构造刚度迅速下降，构造开场倒塌，曲线出现下降段。3、结论本文基于FEAP软件对砌体填充墙RC框架进行微观单元有限元分析，联合采用弥散与离散裂缝单元模拟RC框架与砌体填充墙，经美国加州大学圣地亚哥分校UCSD的试验结果的验证，本文的有限元模型具有较高的准确性与精到准确性。分析结果表示清楚：裂缝更多地集中在低层；砌体填充墙RC框架构造每层的梁柱节点处容易产生裂缝，此时构造处于线弹性阶段，Pus