不同参数调整下开洞生态复合墙体受力情况
尚春林 蔡晓燕 武 刚 曹鹏杰 安占义（陕西省现代建筑设计研究院 陕西西安 710048）
第一作者：尚春林（1985-），男，硕士，国家注册结构工程师，主要从事结构设计工作。
摘要：本文借助于有限元分析软件，通过对开洞生态复合墙体开洞的大小、位置、洞口高宽比及墙体高宽比参数变化，进行数值模拟分析，探讨了在水平荷载作用下，开洞生态复合墙体的破坏模式、侧移变形、极限承载力及墙体不同部位的受力状态。为实践工程当中洞口的薄弱部位的把握程度提供指导作用。
关键词：开洞生态复合墙体；数值模拟分析；受力状态
The stress state of the Open hole ecological composite wall under different parameter adjustment
Shang Chun lin ,Cai Xiao Yan,Wu Gang,Cao Peng Jie,An Zhan Yi（shaanxi modern architecture design&research institute,Xi’an , 710048)
Abstract: In this paper, by means of finite element analysis software, through the numerical simulation analysis discussed under the anction of the horizontal load,the Open hole ecological composite wall’s failure mode, lateral deformation , ultimate bearing capacity and stress from different parts of the wall under the influence of the open hole’s cave location, size, depth width ratio and the wall’s height to width ratio parameter changes . To provide guidance the extent of the mouth of the cave weak positions in the practical engineering.
Keywords: Open hole ecological composite wall; numerical simulation analysis; stress state
0前言
生态复合墙体 [1] 是以截面和配筋较小的钢筋混凝土肋格，内嵌轻质或工农业废料为主的生态块材组成，如图1所示。在竖向及水平荷载作用下，复合墙体中的钢筋混凝土肋格与填充砌块两者相互作用、相互约束、共同受力，充分发挥各自性能。
图1 开洞生态复合墙结构构造示意图
实际工程中经常需要在部分墙体中开洞，以满足建筑使用功能的要求。开洞生态复合墙体在地震作用下始终处于压、弯、剪复合受力状态，墙体的受力性能均与不开洞标准墙体有所不同，本文着重对开洞生态复合墙体在开洞参数的调整变化下探讨其破坏模式、极限承载力、侧移变形及不同部位的受力情况。
1数值模型的建立
1.1有限元单元类型的选取及材料模型
(1)单元的选取
由于所建立的模型属于三维实体结构，故混凝土及砌块应采用3D实体单元类型。ANSYS[2]中的SOLID65单元用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型，而且又是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元。
LINK8[3]单元可以用于大变形、塑性分析、应力强化和膨胀，但是它只能承受拉、压轴力，不能承受弯矩和剪力。故用LINK8单元来模拟钢筋单元较为合适。
（2）材料模型
本文建模过程中混凝土本构关系采用混凝土结构设计规范GB5001-2002[4]中建议的公式，即不带下降段多折线各向同性强化模型（MISO）来定义。砌块的本构关系参考文献[5]提供的砌体的本构关系，见下图2。
图2砌块的本构关系
图3钢筋的本构关系
图4有限元模型
图5裂缝发展趋势图弹性阶段 弹塑性阶段 破坏阶段
如图6所示，ANSYS模型与试验荷载-位移曲线吻合的较好，在弹性阶段都是线性增长且斜率较为接近，说明在此阶段ANSYS模型中可以看作一等效弹性板，砌块-肋格-边框能够协同工作并有效的完成每一次加载变形。在弹塑性阶段荷载-位移曲线都出现较为明显的拐点，且ANSYS模型的拐点位置稍微滞后。这是由于试验模型在施工及加载过程中往往会出现偶然因素，比如由于混凝土搅拌不均匀，或者砌块与肋格间的拼缝没有得到有效的解决，或由加载过程中出现的局部破坏引起的变形迅速增长。进入破坏阶段ANSYS模型与试验模型一样，荷载几乎保持不变但变形较为显著，说明用有限元模型模拟试验的变形特征及变形规律较为合适。
2 开洞生态复合墙体非线性数值模拟分析
2.1模型设计
（1）分别以洞口位置、洞口大小、洞口高宽比、墙体的高宽比的变化建立墙体模型，如图7所示。
图6荷载-位移曲线
图7墙体模型
（3）墙板尺寸
（1）墙板破坏特征对比分析
图8墙板裂缝图
从图8墙体的破坏特征可以看出墙板的破坏属于剪切型破坏，即受拉边框柱钢筋屈服，同时受压区混凝土被压碎。砌块的裂缝沿对角线分布，洞口周围的肋梁及肋柱破坏较为严重，墙板顶部及底部的肋梁破坏较轻，除应力集中部位破坏外，其余部分保持完好。可对墙体在水平及竖向荷载作用下作出简化，可认为受压边框柱下端发生弯曲破坏，受拉边框柱下端不发生剪切破坏，将肋梁及肋柱的作用等效为斜压杆用于承担外框传来的荷载。
（2）肋格等效塑性应力对比分析
图9肋格等效塑性应力
（3）侧移变形对比分析
如图10（a）可以看出洞口位置的变化对墙体最终变形的影响较小，其墙体之间顶部的最大侧移差值在2mm以内，墙体的变形属于弯剪型。由（b）图知随着洞口尺寸的增大，墙体的侧移变形迅速增大，拐点位置越来越明显，墙板顶部侧移最大可达到101mm。如果假设结构层高为3000mm,那么层间位移角达到1/30远大于规范所给出的1/50的限制。
因此在设计当中应该加强过大洞口的刚度，保证墙体不因过大变形而发生破坏。例如适当减小肋格的距离，逐步增加洞口周围的维护构件。由（c）图可以看出，洞口高宽比相当时，侧移变形最大可达到66mm，随着洞口高宽比的增大或者减小，侧移变形均相对较小。由（d）图知墙体高宽比对墙体的侧移变形影响较为显著，当墙体的高宽比为1.2时，墙体顶部的侧移达到102mm。同样在设计当中应该控制墙体高宽比，保证墙体不因过大变形发生脆性破坏。
图10不同参数变化下墙体的变形曲线
（4）外框钢筋应力分析
图11边框钢筋应力
由图11知，随着洞口尺寸的增大边框钢筋屈服范围逐步扩大，表现为：受拉及受压边框柱中钢筋应力面积增大，顶梁的钢筋应力均较小。其原因是由于洞口过大，肋格及砌块分担的水平荷载较小，导致外框的受力增加。由于洞口位置的变化可以看出，当洞口偏置时，靠近洞口的边框柱由于洞口对墙板的削弱，使得边框柱承担的剪力增大，边框柱钢筋的屈服应力范围扩大。当洞口上偏置时，由于洞口以下墙板的刚度较大，造成边框柱反弯点上升。从（KDQB-2、6、7）钢筋应力图知，洞口高宽比对边框的钢筋应力影响较小。在墙体高宽比变化下，边框柱钢筋的应力表现为：墙体高宽比越大，弯矩的作用越明显，边框柱钢筋屈服应力面积越大。
（5）极限承载力对比分析1）洞口大小的变化：
表2.2参数变化下墙体的极限承载力
由图12(a)知，墙体的极限承载力与洞口的大小成线性关系，随着洞口尺寸的变大，极限承载力逐渐减小。洞口的大小改变对极限承载力数值影响较大，其变化关系可近视为：，其中，为极限承载力的变化量，开洞率的变化量，为比例系数。
由图12（b）知，洞口位置对墙体的极限承载力影响较为显著，表现为：当洞口下偏置时极限承载力最大，洞口沿着墙体的对角线方向越往上极限承载力越小；洞口远离加载端时，极限承载力变大；洞口位置偏上时极限承载力变小。
由图12(c)可知洞口高宽比与墙体极限承载力的关系，几乎成二次抛物线。表现为当洞口的高与宽尺寸相等时，极限承载力最大，即抛物线的顶点位置。当洞口的高宽比增大或者减小，墙体的极限承载力都在降低。
由图12(d)知，墙体的高宽比对开洞生态复合墙体的极限承载力尤为显著，表现为：墙体高宽比越大，墙体极限承载力越低。
3结论
本文借助于有限元软件对开洞生态复合墙体建立了数值模型，验证了所建数值模型的正确性并可用于不同工况下的非线性有限元分析。通过对不同类型的开洞生态复合墙体非线性有限元对比分析可知开洞生态复合墙体的破坏模式均属于剪切型破坏，都最终以受拉区钢筋屈服，受压区混凝土压碎而破坏。从墙体的破坏过程来看，墙体的破坏均按照砌块-肋格-边框，依次发生破坏。墙体的侧移变形均属于弯剪型，通过侧移变形的对比分析得出，对于洞口尺寸过大及墙体高宽比较大的墙体，应该采取较为有效的构造措施，保证墙体不因过大变形发生脆性破坏。洞口的大小、位置、高宽比及墙体的高宽比对极限承载力的影响表现为：①洞口尺寸越大，极限承载力越低；②洞口下偏置时极限承载力最大，洞口远离加载端时极限承载力变大，洞口上偏置时极限承载力变小；③洞口的高与宽相等时极限承载力最大，随着洞口高宽比的增大或者减小墙体的极限承载力均降低；④墙体的高宽比越大，极限承载力越低。
参考文献
[1]黄炜，陈国新，姚谦峰.密肋复合墙体在拟动力试验下的抗震性能研究[J].振动与冲击，2007，12(3)：49-55.
[2]司炳君，孙治国，艾庆华.Solid65单元在混凝土结构有限元分析中的应用[J].工业建筑，2007，37(1).
[3]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社.2007：10-78
[4] GB50010-2002.混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.
[5]陈国新.内填不同材料生态复合墙体基于统一强度理论的非线性损伤分析[D].西安建筑科技大学博士学位论文，2011.
[6] 本社.ANSYS9.0 经典产品基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社.2006：25-79.