格构式混凝土填充墙的拱作用分析.pdf
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1、6 0 低温建筑技术 2 0 1 4年第 9期 ( 总第 1 9 5期) 格构式混凝土填充墙的拱作用分析 陈晟, 蔡贤辉 ( 大连理工大学运载工程与力学学部工程力学 系。 辽 宁大连1 1 6 0 0 1 ) 【 摘要】 采用基于不同应变假定的线性应变法和平均应变法, 对格构式混凝土填充墙 中的格构柱的拱作 用进行分析, 得到: 拱作用可使墙体的出平面承载能力得到大幅提高, 其提高系数随格构柱高径比的增加而线性 减小; 墙顶缝隙对墙体的拱作用影响显著。对比两种不同的方法, 并与 A N S Y S非线性有限元分析结果相比较 , 得 到三铰拱模型的强度结果是偏小的, 其中线性应变法的结果更为保守
2、。 【 关键词】 格构柱; 填充墙 ; 承载能力; 平面外; 拱作用 【 中图分类号】 T U 3 1 2 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 9 0 0 6 0 0 4 格构式混凝土墙 由非承重 的轻质空心块体或保 温模壳充当模板 , 在孔洞内浇注 自密实混凝土形成横 竖网格状的混凝土受力小构件的一种复合墙体。该类 墙体由于自重轻、 施工快、 整体性好, 具有较好的市场 前景 。本 文 以水 泥 聚 苯 保 温模 壳 格 构 式 混 凝 土 墙 体为例 , 对该墙体充当填充墙时的出平面受力性能 进行分析。文献 2 分析认为,
3、上下两端连接 良好 的 砖填充墙或砌块填充墙受水平均布荷载或层间位移 时存在明显的拱作用, 使得墙体的承载能力 以及变形 能力在不同的墙体高厚比下均有相当程度的提高。本 文的格构式墙体作为填充墙的一种 , 拱作用的影响同 样不可忽视, 本文对此问题进行专门研究。 1 简化模型 水平 均布荷 载是 填充 墙体 设计 计 算 的 主要 荷载 方式 , 对应 于风荷载 以及 地震惯 性荷 载。对于该 种荷 载作用 , 两端脱 开的填充墙 体可保守 地简 化为梁 模型 进行分析。文献 2 通过 A N S Y S模拟分析, 验证了拱 作用在砌体墙出平面受力过程中的存在 , 并在此基础 上提出了三铰拱模
4、型, 如图 1 ( a ) 所示。 ( a ) 拱模型 ( b ) 几何关系 ( c ) 端部线性应变 图1均 布荷载作用下拱机制原理简图 对于水泥聚苯保温模壳格构式混凝土填充墙体, 该三铰拱简化模型同样适用, 只是原本的梁模型对应 于格构式墙体中的圆形格构柱。考虑实际工程中因抗 震设计要求( 填充墙与主体结构脱开或柔性连接) 或 填充墙 浇注时的顶部缝隙情况 , 记墙顶 缝隙 宽度为 , 墙体净高为 日, 则层间净高为 日+ 。此模型下, 在墙 体顶端侧移受限的前提下, 上、 下段因开裂破坏发生转 角 0 时 , 受压宽度 6 可表示为 : n H H 6 一 2 一石 + 一4 s i n
5、 O ( 1 ) 上式 中, D为格构柱 的直径。 2 拱作用力的计算 图 1 ( a ) 的墙体上下段在水平荷载作用下发生转 角 0时, 在拱作用力计算时, 对应不同的应变假定存在 两种不同的方法 , 即平均应变法和线性 应变法 。 ( 1 ) 平均应变法。在拱作用力计算时, 利用上 段或下段墙体的两端受压区的对称性, 对拱内应变做 一 致假定, 其大小取为 : d 2bt a n O , 、 s z 记该平均应变对应 的应力为厂 b , 则作用在受压区 中心处的合力 , 即拱作用力 为: T = f b A c o s y c o s O ( 3 ) 式中, A为受压区面积; y为拱夹角,
6、 由墙体两端 的受压区合力位置所决定。 根据拱作用力与水平均布力之间的关系: :2 T 。 i n y ( 4 ) 得水平均布力 W与拱内平均应力等的关系为 : : ( 5 ) 了 3 式中, s 为格构柱的间距。 ( 2 ) 线性应变法。在拱作用力计算时, 对墙体 平面内的应变做平截面假定, 并在墙高方 向上根据分 段墙体两端受压区的对称性假定应变呈线性变化。这 样 , 受压区的应变分布可表示为: 一 ( = 2: ! 垦 。 H 2 ( 6 ) 陈晟等 : 格构式混凝土填充墙的拱作用分析 6 1 式中, 为应变计算点距受压区最外端的距离。 根据该应变分布, 利用材料的本构关系可计算应 的应
7、力分布、 合力 F 。 及其作用点, 进而确定拱夹角 。 根据竖向力平衡 , 可得拱作用力 为: T:F c o s 0 c o s T ( 7 ) 水平均布力 W与合力 等的关系为 : : ( 8 ) 3 计 算分析 3 1 模 型简介 取两端 自由的格构 式墙 体, 格构 柱 直径 D = 1 6 0 ra m, 间距 s = 3 0 0 ra m。格 构梁柱 材料 C 2 5混 凝 土 , 其本构 关系按 现行 混凝 土设 计 规范 给 出 的单 轴本 构取用。墙体计算简化为按单个格构柱进行, 并根据 不同的墙体高径比要求 , 调整墙体的高度。 3 2 缝隙限制 为避免因墙体顶部间隙过大
8、而导致墙体无法接 触到梁底 ( 或板底) , 根据几何关 系可有 : ( 日 + 6 ) 2 D +( 1 1 2 ) ( 9 ) 整理得 : 8 1 H , 1+ 4 ( D H) 一1 ( 1 0 ) 一 般情况下 , 格 构柱 的径 高 比 D H均较 小 , 则 上 式( 1 0 ) 可以近似简化为: $ H 2 ( D H) ( 1 1 ) 在满足该基本接触条件情形下, 对于给定的转角 0, 代人( 1 ) 式进行受压宽度 b的计算。如 b值大于 0 且小于 D 2 , 则可判定接触成立 , 墙体存在拱作用。 3 3 临界高径比 定义临界高径比为墙体受压区最大应变达到材 料某一特征应
9、变时的高径比。墙体的最大应变发生在 受压区边缘位置, 根据线性应变假定, 其大小为: =4 b t a n O H ( 1 2 ) 将 式 ( 1 )代 入 上 式 并 求 导,可 得 当 0 = s i n - I ( )时具有应变峰值: l =1一 ( 1+8 H ) 一4 ( D H) ( 1 3 ) 即 : = H D = 2 、 _ 二 _ ( 1 4 ) 因此, 当端部最大应变s l 占 时(s 为混凝 土的极限应变 ) , 受压 区将 出现 混凝 土压 碎 破坏 的情 形 , 此时对应的格构柱 临界高 径 比 为 : 肛 = 2 丁可 ( 1 5 ) 当 l 。 时(氏 为混凝
10、土极 限强度对应 的应 变) , 即受压区混凝土未进入其本构关系的下降段, 接 近于弹性状态, 此时对应的格构柱临界高径 比 。 为: = 2 、 可 ( 1 6 ) 因此, 当格构柱高径比 时, 墙体存在压碎 破坏现象; 而当 。 时, 墙体受压区接近于弹性 状 态。 3 4 数值模拟分析 利用 自编的小程序对格构柱的拱作用影响进行 分析。程序按转角位移 0 逐渐增大时, 分别计算对应 的拱作用力 、 水平承载力 , 以及拱作用角 y等。当 =0时, 程序停止计算。 O 5 0 O 4 0 0 3 0 奁o 2 0 0 1 0 一 1 O 线性应变 D = 1 O 平均应变 2 0 线性应变
11、 H D = 2 0 平均应变 D = 3 O 线性应变 ) = 3 0 平均应变 O O O 。 。 一 O 0 O 0 0 4 0 0 8 O 1 2 0 1 6 转 角 位 移 Y r a d 图2 拱作用力1 _ ,4 - 转角0 ( 1 ) 无缝墙体的拱作用分析。图 2为计算得到 的不同高径比的格构柱随着转角位移 0的逐渐增大, 采用两种方法得 到的拱作用力的变化 曲线 。该 图中的 拱作用力由截面承压能力进行无量纲化, 图中 为混 凝土抗压强度 , A为格构柱的截面面积。由图可见 , 采 用不同应变假定方法所得到的拱作用力有较大不同, 平均应变法在较大高径比时所得到的拱作用力始终
12、明显大于线性应变法结果 , 但在较小高径比时, 在加载 后期下降段则存在比线性应变法小的可能。 该图 2表明, 不同高径 比的格构柱, 在两种方法 下 , 均表现出随着转角位移 0的逐渐增大 , 其拱作用力 先迅速增大, 然后经缓慢增长后达到峰值 , 最后又逐渐 减小的规律。高径比较小的格构柱在拱作用力达到峰 值时的转角位移明显要小于高径比大的格构柱 , 而在 其后的下降段中, 越是较小的高径比则越是具有较大 的极限转角位移。 另外 , 从该 图 2还 可 以看 出格构柱 内的最 大拱作 用力具有相当的量值。即便在高径比3 0的条件下 , 最 大拱作用力与截面承压能力的比值仍可达到 0 2左右
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