框架填充墙平面内抗震性能试验及数值模拟.pdf
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1、为研究开洞填充墙钢筋混凝土(RC)框架结构的抗震性能,设计了 1/2 缩尺的满砌框架填充墙、开洞填充墙和纯框架试件各 1 榀,对其进行低周往复拟静力加载试验。对比分析了试件的破坏现象、滞回性能、骨架曲线和耗能能力。通过有限元软件 ANSYS/LS-DYNA 建立精细化有限元模型,在验证有限元模型的基础上以填充墙开洞位置、框架柱横截面大小、砌体强度和层高作为拓展参数对 RC 框架填充墙进行深入研究。结果表明:相比于满砌框架填充墙,开洞填充墙可以提高结构初始刚度和极限承载能力;填充墙开洞后会改变试件的破坏模式,削弱结构极限承载能力,增加结构的变形能力。门洞位于墙体偏心位置时结构具有更高的抗倾覆能力
2、;边柱截面增加显著提高结构的抗震性能;层高的增加加重了框架柱的损伤,降低了结构抗震性能。关键词:钢筋混凝土框架;开洞位置;抗震性能;框架填充墙 中图分类号:TU375.4 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)16-0063-10引用本文 钱凯,吴頔,曾威,等.框架填充墙平面内抗震性能试验及数值模拟J.建筑结构,2023,53(16):63-72,97.QIAN Kai,WU Di,ZENG Wei,et al.Experimental and numerical investigation on in-plane seismic performance of infilled
3、 frameJ.Building Structure,2023,53(16):63-72,97.Experimental and numerical investigation on in-plane seismic performance of infilled frame QIAN Kai 1,2,WU Di1,ZENG Wei1,ZHANG Min2,LI Zhi2(1 College of Civil Engineering and Architecture,Guangxi University,Nanning 530004,China;2 School of Civil and Ar
4、chitectural Engineering,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China)Abstract:In order to study the seismic performance of reinforced concrete(RC)frame structures with cavity filling walls,three 1/2 scaled frames,including one bare frame,two infilled frames with or without openings were desig
5、ned and tested under low-cycle reciprocating quasi-static loading.Test results include failure mode,hysteretic behavior,skeleton curve and energy dissipation capacity were analysed.Finite element model was established by finite element software ANSYS/LS-DYNA.High fidelity numerical mode was built to
6、 conduct extended studies on the effects of opening location,frame column section,masonry strength and story height.The results show that,compared with a full frame infilled wall,the infilled frame with openings can improve the initial stiffness and ultimate bearing capacity of the structure.After t
7、he filling wall is opened,the failure mode of the specimen will be changed,the ultimate bearing capacity of the structure will be weakened,and the deformation capacity of the structure will increase.The structure has higher anti-overturning ability when the door is located in the eccentric position
8、of the wall.The increase of column section significantly improves the seismic performance of the structure.The increase of story height aggravates the damage of frame columns and reduces the seismic performance of the structure.Keywords:reinforced concrete frame;opening location;seismic performance;
9、infilled frame 0概述 RC 框架填充墙结构由于空间布置灵活,使用方便,应用十分广泛。在工程中对 RC 框架填充墙进行结构设计时,一般是把填充墙所承受的荷载直接施加到相应结构上,但填充墙对框架结构所产生的影响并没有被充分考虑。在历次震害调查中发现1,地震作用下,砌体填充墙与框架之间的相互作用使得 RC 框架填充墙结构与纯框架结构破坏模式和抗震性能有明显的差异2-3,忽略填充墙对结构地震响应的影响将直接危害整体结构的安全。针对上述问题,国内外研究人员开展了诸多研究。对填充墙布置方式4、墙框连接方式5和墙体类型6等对 RC 框架填充墙结构的抗震性能的影响进行了一系列研究。然而其中大多
10、数研究是以满砌填充墙作为研究对象,对于开洞口填充墙的抗震性能研究仍较少。实际生活中,填充墙多开有窗洞建 筑 结 构2023 年或门洞。洞口的存在会显著改变结构的传力路径,对结构抗震性能产生影响。但目前并未完全掌握填充 墙 开 洞 对 结 构 抗 震 性 能 影 响 的 规 律。Kakaletsis 等7的试验研究显示,偏心开门洞试件在承载力和初始刚度方面优于中心开门洞试件,而Mallick 等8结合开洞填充墙试验和有限元分析结果表明,将门洞设置于填充墙中间具有较好的抗震性能,Dawe 等9的研究同样得出类似的结论。孔璟常10经过有限元分析认为框架填充墙抗震性能对开门洞位置不敏感。通过试验的方式
11、对 RC 框架填充墙的抗震性能进行研究需要花费大量的资源,因此依托试验数据建立可靠的有限元模型,据此对影响结构力学性能的参数进行分析是极为重要的研究方法。然而由于框架填充墙结构力学行为复杂,材料多样,特别是开洞使得填充墙的传力路径更为复杂。有部分研究11-12通过将填充墙均质化来模拟框架填充墙抗震性能,但这种方法对砌体滑移、砂浆界面破坏和裂纹延展规律的模拟并不理想。虽然近年来不少研究人员9,13-14将砌体和砂浆层分开,建立分离式模型分析满砌填充墙的力学性能,得到了较好的效果,但是对于开洞填充墙结构的研究仍然不足。基于前人的研究,本文设计了 3 榀 1/2 缩尺的框架填充墙试件,研究其在低周往
12、复荷载作用下的抗震性能及破坏模式。并且依托试验数据,使用有限元软件 LS-DYNA 建立高精度有限元模型开展参数分析,以便深入探究填充墙对 RC 框架抗震性能的影响。1试验概况1.1 试件设计 试件按照美国规范 ACI 318-14 15设计,并且满足混凝土结构设计规范(GB 500102010)16的要求。试件类型分别为纯 RC 框架、满砌填充墙 RC框架(RCW)和开洞填充墙 RC 框架(RCWD),每种类型试件各 1 个。混凝土设计强度等级为 C25,砖填充墙尺寸为 2 000mm1 285mm115mm,砌体采用多孔烧结页岩砖,尺寸为 240mm115mm90mm,砌体设计强度为 MU
13、10。各试件配筋相同,试件配筋如图 1 所示,RCWD 试件填充墙开门洞尺寸及位置如图 2 所示。1.2 材料性能 制作试件的同时制作尺寸为 150mm150mm150mm 的立方体混凝土试块、70.7mm70.7mm70.7mm 的立方体砂浆试块和砌体抗压及抗剪试件。砌体材性测试方式如图 3 所示。试块与试件同图 1 试件配筋图 2 开门洞位置与尺寸条件 养 护,测 得 立 方 体 混 凝 土 试 块 抗 压 强 度38.5MPa,立方体砂浆试块抗压强度 6.0MPa。多孔烧结页岩砖砌体抗压强度5.0MPa,沿通缝截面抗剪强度 0.5MPa。钢筋力学性能如表 1 所示。图 3 砌体材性测试表
14、 1 钢筋力学性能类型钢筋型号d/mmfy/MPafu/MPa E/GPa/%箍筋HPB3006318.2529.4198.015.1梁纵筋HRB33512348.2488.5203.016.3柱纵筋HRB33516359.0543.0206.016.6 注:d 为直径;fy为屈服强度;fu为极限强度;E 为弹性模量;为伸长率。46第 53 卷 第 16 期钱 凯,等.框架填充墙平面内抗震性能试验及数值模拟1.3 试验加载装置和加载步骤 试验装置见图 4,采用液压伺服作动器对试件进行水平往复加载。在远离作动器一侧设置了水平加载钢板通过四个水平加载杆与作动器相连,以实现对试件安全合理的水平加载。
15、轴向力由液压千斤顶通过四根高强度钢拉杆所组成的装置施加在框架柱上。试件通过基础梁固定,而基础梁通过直径为 50mm 的螺栓与实验室地面连接。同时为了防止试件在试验过程中可能发生的平面外破坏,专门设计了侧向支撑装置为试件提供平面外的约束。对试件施加水平往复荷载之前,先在框架柱顶端施加预计轴向压力的 40%60%,重复加载 23次后加至满载,轴压比为 0.2,所施加的轴向压力为300kN。本文水平往复加载采用位移控制的加载程序,在试验过程中通过手动调整框架柱顶端的液压千斤顶,以确保试验期间框架柱的轴向压力恒定。加载全过程采用位移控制,当位移角为 0.10%、0.14%、0.20%和 0.33%时,
16、加载循环 1 次;当位移角 为 0.50%、0.67%、1.00%、1.33%、2.00%、2.86%、4.00%和 5.00%时,加载循环 3 次。当试件的水平承载力降低至 15.0%时,停止加载。图 4 试验装置1.4 测点布置 施加的水平荷载由嵌入作动器的力学传感器测量。纵向钢筋应变片主要布置在梁柱端部,为了解框架塑性铰的形成,监测钢筋的受力状态。箍筋上布置的应变片用来测量梁端的剪切破坏和框架柱的侧向膨胀,位于节点位置的应变片主要用于监测梁柱节点的剪切破坏情况。试件的水平位移由位移传感器(LVDT)测量,其中测点 D1D7 主要测量在不同高度位置处的水平位移,测点 D8、D9 测量基底滑
17、移,测点 D10、D11测量填充墙的剪切变形。应变片和位移传感器布置方案见图 5。图 5 测点布置方案2试验现象及其分析2.1 RC 试件试验现象 RC 试件的裂缝发展如图 6(a)(d)所示,在加载的初始阶段,RC 试件裂缝出现在柱底部。位移角为 0.33%时,梁端出现弯曲裂缝。随着加载继续,位移角为 0.67%时,梁柱节点出现水平裂缝。位移角为 2.00%时,梁、柱端混凝土开始压碎。位移角为 2.86%时,可以观察到明显的混凝土剥落。位移角达到 5.00%时试验结束。RC 试件的破坏模式如图 6(e)所示,梁端混凝土剥落严重,右梁端混凝土整体脱落,纵筋严重屈曲。柱端也观察到一定程度的混凝土
18、压碎。图 6 RC 试件裂缝发展示意图及破坏照片2.2 RCW 试件试验现象 RCW 试件的裂缝发展如图 7(a)(d)所示,位移角为 0.20%时,柱边出现弯曲裂缝。位移角为56建 筑 结 构2023 年0.33%时,梁端开始出现裂缝,墙体产生沿对角线发展的阶梯状裂缝。位移角增加至 0.67%时,墙体右上角砌体开始出现压碎,填充墙墙体和框架之间可以观察到明显的缝隙。位移角达到 1.33%时,墙体阶梯状裂缝进一步延展,梁柱节点产生大量斜裂缝,填充墙体与框架之间的缝隙变宽。位移角增至2.86%时,墙面裂缝贯穿墙体,并伴随砌体的剥落,梁端混凝土被压碎,柱顶混凝土发生严重剪切变形。RCW 试件破坏模
19、式见图 7(e),试件剪切破坏集中在右柱顶部,填充墙发生了严重的压碎和剥落现象,梁端也观察到了压碎现象,但由于框架和填充墙的相互作用,破坏的严重程度低于 RC 试件。图 7 RCW 试件裂缝发展示意图及破坏照片2.3 RCWD 试件试验现象 RCWD 试件的裂缝发展如图 8(a)(d)所示,加载初期,位移角为 0.33%时,阶梯状裂缝以对角延伸的方式出现在门洞左面的填充墙体。位移角增加至 0.50%时,门洞左面墙体出现弯曲裂缝,墙面裂缝进一步延展。位移角为 1.00%时,墙体右上角开始压碎。位移角达到 1.33%时,梁端开始出现水平裂缝,墙体压碎变得更为严重,并产生部分倒塌。当位移角增加至 2
20、.00%时,边柱弯曲裂缝进一步增加,墙体倒塌更为严重。试件最终破坏模式如图 8(e)所示,位移角达到 4.00%时,试验结束,试件框架梁、柱端产生明显的压碎,相比 RCW 试件,RCWD 试件的框架损伤更小,侧向变形更大。左侧墙体产生斜向的阶梯状裂缝并且伴随着部分墙体的倒塌,可见开洞可能会影响填充墙体的稳定性。图 8 RCWD 试件裂缝发展示意图2.4 滞回曲线 图 9 给出了各试件的滞回曲线,纵坐标为试件水平荷载,横坐标轴为框架梁的侧向位移与位移角,位移角是框架梁侧向位移与层高的比值。由图9 可知,纯框架试件和带填充墙框架试件的滞回曲线有明显区别,填充墙的存在使得结构的抗震性能产生了明显的变
21、化。RC 试件滞回环呈“梭形”,并且滞回曲线较为扁平,初始刚度较小,残余变形也更小。随着位移角的增大,RC 试件产生抗弯裂缝,塑性铰不断形成发展,RC 试件侧向承载力提升变平缓,产生了明显的屈服。位移角达到 2.00%时,RC 试件达承载力峰值,而后承载力缓慢降低。RCWD 试件与 RCW 试件的滞回曲线发展趋势较为接近。在加载初期,带填充墙试件作为一个整体处于线弹性状态,滞回环介于“梭形”和“弓形”之间。随着侧向位移的增大,滞回环产生明显捏缩现象,呈“反 S 形”。之后由于填充墙表面剧烈破坏,砌体剥落,墙体刚度退化严重。框架受到填充墙的约束力逐渐减小,带填充墙试件滞回环面积显著增大,结构耗能
22、增加,捏缩现象有所缓和。在加载末期,填充墙刚度退化,填充墙对框架逐渐丧失斜撑效应,主体框架的工作状态向纯框架靠拢,滞回环由“反 S 形”向“弓形”过渡。相比 RCW 试件,66第 53 卷 第 16 期钱 凯,等.框架填充墙平面内抗震性能试验及数值模拟RCWD 试件滞回环捏缩现象要更小,达到峰值荷载后,强度退化也更为平缓。2.5 骨架曲线 各试件骨架曲线见图 10,各试件抗震性能特征值如表2 所示。本文取侧向荷载达到10%侧向承载力时对应的割线刚度为初始刚度。延性系数为极限位移与屈服位移之比,其中,极限位移取试件水平荷载降至峰值荷载的 85%时所对应的位移,屈服位移根据试件骨架曲线采用能量等效
23、面积法确定。图 9 试件滞回曲线图 10 试件骨架曲线图 11 刚度退化曲线图 12 累积耗能曲线表 2 试件抗震性能特征值试件编号Vmax/kN正方向 负方向K0/(kN/mm)Sy/mmVy/kNDRC175.4-166.325.69.5140.25.8RCW417.2-396.2172.57.2341.23.9RCWD251.1-275.067.59.4204.06.0 注:Vmax为极限承载力;K0为初始刚度;Sy为屈服位移;Vy为屈服荷载;D 为延性系数。由图 10 和表 2 可知:填充墙的存在显著提高了结构的承载力和初始刚度。RC、RCW、RCWD 试件的平 均 峰 值 荷 载 分
24、 别 为 170.5kN、406.5kN 和263.1kN,满砌填充墙的存在使 RC 试件峰值荷载提高了 138.4%。在加载初期,结构作为一个整体受力,满砌填充墙的存在使得纯 RC 框架初始刚度提高了 573.8%,填充墙对结构初始刚度的影响大于对结构承载力的影响。开洞填充墙试件 RCWD 的极限承载力和初始刚度较满砌填充墙试件 RCW 分别降低了约 39.8%和 60.9%。RC、RCW、RCWD 试件的延性系数分别为 5.8、3.9 和6.0。满砌填充墙试件 RCW 的延性系数仅为纯框架试件 RC 的 67.2%。由图 10 可知,与开洞填充墙和纯框架试件承载力缓慢退化不同,满砌填充墙试
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