rc框架结构在不同水平荷载下的性能分析

rc框架结构在不同水平荷载下的性能分析

充满墙壁框架的结构是住宅结构中常见的结构体系。该结构常采用砖墙、砌块砌体或其他材料进行房间分隔或外部围护,已有的研究表明,填充墙对框架结构的承载力、刚度及其变形性能都有着很大的影响。本文运用ANSYS有限元软件中的接触单元来模拟填充墙和混凝土结构之间的接触关系进行建模,对填充墙钢筋混凝土框架结构进行了有限元非线性分析,分析填充墙对钢筋混凝土框架柱受力、刚度及其变形性能的影响。1测试模型1.1单元模钢筋的构造本文模型采用单跨单层填充墙框架结构模型进行研究,框架净跨为3600mm,净高为3000mm,填充墙的厚度为300mm,梁柱的截面尺寸:柱宽b=300mm,高h=400mm,钢筋为双线性随动硬化材料,采用Link8单元模拟钢筋。柱中纵筋4ϕ22,箍筋ϕ8@100/200,梁宽b=300mm,高h=500mm,梁内上下侧对称配筋4ϕ22,腰筋4ϕ18,箍筋ϕ8@100/200。钢筋弹性模量一级取E=2.1×105N/mm2,二级取E=2.0×105N/mm2,泊松比ν=0.3。1.2n/mm2混凝土采用C30,弹性模量E=3×104N/mm2,泊松比ν=0.2,轴心抗压强度fc的设计值为14.3N/mm2,单轴抗拉强度ft的设计值为1.43N/mm2。混凝土应力—应变关系采用Hongnestad提出的上升段为二次抛物线,下降段为斜直线的模型,填充墙采用强度等级为MU10的烧结普通砖,砂浆等级采用M5级,砖砌体的抗压强度为f=1.5MPa,砌体的本构关系采用施楚贤教授提出的本构关系:ε=−1ζfm√ln(1−σfm)ε=-1ζfmln(1-σfm),钢筋的本构关系采用的是理想弹塑性模型,一级钢筋的屈服应力取210N/mm2,二级钢筋的屈服应力取300N/mm2。2元模型的构建2.1砌体结构模型混凝土采用Solid65单元,填充墙与混凝土之间的摩擦系数取μ=0.70,填充墙采用Solid65单元,钢筋采用Link8杆单元,砌体结构与混凝土框架结构之间的接触采用ANSYS里面的接触单元Targe170和Contac173单元进行模拟,Targe170单元模拟混凝土面作为刚性目标面,Contac173单元模拟填充墙面作为柔性接触面,两者形成一个接触对。2.2刚性垫块添加量计算在划分单元网格时,考虑到钢筋间距、位置以及单元尺寸比不宜超过1∶4等因素,混凝土最小单元尺寸取60mm,最大单元尺寸取100mm,填充墙单元尺寸划分为100mm。为了避免在加载部位产生应力集中,在建立有限元模型时在加载部位加入刚性垫块以防止产生应力集中。其在ANSYS中有限元模型如图1所示,迭代算法采用ANSYS软件提供的牛顿—拉普森(NR)法(增量迭代法),通过令每一步荷载增量的末端解达到平衡收敛(在某个容限范围内)来消除累积误差,收敛准则采用位移收敛,其精度控制在3%范围内。3填充墙高度对钢筋混凝土框架结构变形的影响通过运用ANSYS有限元软件计算分析可得填充墙框架结构在水平荷载F=75kN(力作用在左柱顶)作用下框架柱剪力、弯矩随填充墙高度变化的情况如表1所示。从表1中可以得到:1)当水平荷载作用在左柱顶部时,在水平荷载一定时,钢筋混凝土框架左柱所受到的剪力随着填充墙高度的增加而逐渐变大,而远离荷载作用的另一根钢筋混凝土框架柱(右柱)所受到的剪力却随着填充墙高度的增加而逐渐变小;2)填充墙钢筋混凝土框架结构顶点的水平位移随着填充墙高度的增加而逐渐减小,其侧移刚度则逐渐增大,纯RC框架结构时其侧移刚度为4006.41N/mm,填充墙高度H1=2500mm时其侧移刚度为27272.73N/mm。从图2可以看出:当墙高小于1000mm时其位移—荷载曲线基本没什么变化,但是当墙高大于1500mm,由于填充墙的作用,其位移—荷载曲线图发生了明显的变化(见图3,图4)。从表2中可以得到:随着填充墙高度的增加,虽然其承载力提高了212kN,但是框架结构的侧向变形逐渐减小,当墙高为2500mm时其侧移为46mm,而纯钢筋混凝土结构的侧移为158mm,减少了71%,这对抗震是极为不利的。4不同填充墙对比对框架结构变形能力的影响1)填充墙的存在能够大幅的提高框架结构的抗侧刚度和强度。2)填充墙的存在虽然能够大幅的提高框架结构的抗侧刚度和强度,但是同时也大大的降低了其变形能力。3)在相同水平荷载作用下,钢筋混凝土框架柱剪力随着填充墙的变化而变化。柱剪力随着填充墙高度的增高而变大,因此在设计时,必须考虑填充墙的存在对框架柱内力的影响,以防止柱形成短柱破坏(剪切破坏)。5结构体系设计从以上分析可知:在进行抗震设计时,忽略填充墙对框架结构的影响并不总是安全的,而现在的工程人员在填充墙的作用上,存在一定的误区,认为填充墙只是单纯的起到围护和隔断作用,并不参与侧向