基于ABAQUS的薄缝砌筑蒸压加气混凝土砌块填充墙框架结构的非线性有限元分析（上）

2016-12-16  by:CAE仿真在线  来源:互联网

基于ABAQUS的薄缝砌筑蒸压加气混凝土砌块填充墙框架结构的非线性有限元分析

刘祖运 程才渊

(同济大学结构工程与防灾研究所)

1 引言

随着人们对建筑材料环保、节能方面的要求越来越高,薄灰缝砌筑的填充墙体在砂浆用量与保温节能方面都优于厚灰缝砌筑的填充墙体。《规范》规定:填充墙应沿框架柱全高每间距500mm~600mm设2Φ6拉筋。薄灰缝砌筑的蒸压加气混凝土砌块填充墙的灰缝厚度仅有2mm~3mm,按照《规范》的要求,则必定会对砌块进行开槽,以满足设置钢筋的要求,施工起来非常麻烦。本文主要介绍一种适用于薄缝砌筑蒸压加气混凝土砌块填充墙的连接方式——“L型铁件连接”,并采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟。

ABAQUS有限元软件作为一种大型的通用有限元软件。具有非常强大的非线性分析的功能,在结构领域的应用越来越广泛。目前国内外对砌体填充墙钢筋混凝土框架结构的有限元分析主要采用ANSYS有限元技术,基于ABAQUS有限元软件的填充墙有限元分析研究还不是很充分。本文分别对一榀填充墙厚度为200mm和一榀填充墙厚度为100mm的加气混凝土砌块填充墙钢筋混凝土框架进行有限元建模,并与试验结果对比分析。来验证有限元参数选取的合理性。

2 试验模型及试验结果

2.1试验模型

试验用框架为C25混凝土浇注,框架填充墙立面尺寸及配筋情况详见图l。

填充墙采用上海伊通公司提供的砂加气混凝土砌块

试验模型数据见表l。

K-Ql模型推力达到35.4kN时,墙体上出现第一条双面贯通斜裂缝,荷载回零时裂缝闭合。当拉力达到39.9kN时,墙体上出现第二条双面斜裂缝,后续位移控制中,墙体上的斜裂缝除裂缝宽度不断增加外,其余无甚大发展。试验结束时,填充墙上主要裂缝只有两条,框架主体基本完好,两侧面柔性连接的底部严重脱离,框架节点附近有轻微斜裂缝和水平缝发展。具体的裂缝分布及破坏形态见图2,滞回曲线及骨架曲线见图6。

K-Q2模型推力达到35kN时,墙体上出现第一条双面贯通斜裂缝。推力达到24.1kN时,墙体出现第二条双面贯通斜裂缝。位移控制至±5.0mm时,在推力作用下,铁件附近出现斜裂缝。随着荷载的增大,裂缝不断发展,墙体上未有新裂缝出现,仅裂缝宽度继续增加。试验结束时,框架主体基本完好,底部连接脱离,顶部PU发泡剂沿一定间距拉裂,两侧面柔性连接底部严重脱离,框架节点附近有轻微斜裂缝和水平缝发展,具体的裂缝分布及破坏形态见图3,滞回曲线及骨架曲线见图6。

砌体建模一般可分为整体式和分离式两种模型。整体式模型不考虑砌块与砂浆之间的相互作用,把砂浆弥散与整个砌体模型中,把砌体看成均匀连续材料,模型计算简单,当不考虑砌块与砂浆之间的相互作用时可以考虑此方法。分离式模型则是将砌块、砂浆分别建立模型,二者之间的相互作用通过界面单元连接,计算较复杂,但能反映模型各部分之间的相互作用,适用于结构或构件微观受力状态的研究。本文采用ABAQUS计算软件建立相应的分离式有限元模型,具体建模方法如下:

3.1 单元类型的选取

模型中的混凝土框架、砌块、专用粘结剂及水泥砂浆采用三维实体单元(C3D8R),钢筋采用桁架单元(T3D2),填充墙内部、以及填充墙与框架之间的连接采用弹簧单元。

ABAQUS弹簧单元有i种,分别为SPRINGA、SPRINGl 和SPRING2 141单元。SPRINGA单元用于连接两个节点之间的轴向弹簧,只在两个节点之间的轴向起作用。

SPRINGI单元用于连接节点和地面,只在固定方向起作用。SPRING2单元用于连接两个节点,只在固定的方向起作用。本文中的弹簧全部选用SPRING2单元,在连接两个节点的时候分别建立1、2和3方向的弹簧,并设置相应的弹簧刚度来建立连接。

3.2 相互作用

在ABAQUS中的Interaction模块中,框架中的钢筋通过采用embedded嵌入到混凝土中去,砌块与灰缝之问的粘结面采用i向弹簧(SPRING2)来模拟,弹簧刚度根据试算取50000kN/m,框架与填充墙之间的相互作用通过采用非线性弹簧单元(SPRING2)来模拟,非线性弹簧刚度通过有限元模型的多次试算确定。

L铁件在施工时,是分别通过射钉同定在框架柱及砌块上,由于射钉作用力没有相应的试验数据,所以在建模时使用钢筋近似代替L铁件的作用,钢筋与砌块之间通过定义非线性弹簧来模拟二者之间的粘结滑移关系,通过在钢筋末端加强弹簧的刚度来近似模拟墙体内射钉的作用,弹簧的刚度选取参照赵成文等做的蒸压加气混凝土砌块砌体中水平灰缝钢筋锚同的研究。

3.3边界条件及裁荷

框架底梁采用同接约束,将框架顶梁顶部的网格节点couple在一个参考点上,然后对参考点施加与试验加载制度相同的位移条件。有限元模型见图4。

框架结构的纵筋,采用清华大学陆新征教授开发的PQ—Fiber模型,该模型具有较好的滞回性能,其它钢筋采用理想的弹塑性模型。混凝土、砌块、专用粘结剂及水泥砂浆采用塑性损伤模型。塑性损伤模型的关键是正确地定义损伤因子,损伤因子的计算参见文献。对于受压恢复因子,ABAQUS中默认的值为1,本文中取0.3。其它具体参数选取参见陈程等做的加气混凝土承重墙的抗震性能研究。

——待续。摘自《建筑砌块与砌块建筑 2015》——

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