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钢框架填充墙的有限元模拟

钢框架填充墙的有限元模拟

因为研究生期间看过一些关于填充墙模拟的文献,当时关于填充墙的模拟积累了好多问题没有解决,因此一直到现在有时也会禁不止想看一看相关文献中别人是怎么做的,正值暑假,便用刚学的OpenSees对一榀钢框架填充墙进行了有限元模拟,其实想找一篇关于钢框架填充墙的试验挺难的,由于混凝土构件容易在填充墙的斜压杆作用下局部产生剪切破坏,而且在实际生活中混凝土框架采用填充墙的情况也比较多,所有大部分试验都是关于混凝土框架填充墙的,找了很多文献,最后决定采用Tasnimi的钢框架填充墙试验试一把。

要模拟钢框架填充墙首先要分别掌握模拟钢框架和填充墙的方法,对于钢框架我建议对节点刚域进行模拟,经过我多次模拟发现这对结构强度和刚度的计算有很大的作用,我参考Seo采用的四节点平面单元(four sided planar element)对梁柱节点进行模拟,这种模型可以考虑9种相互独立的变形模式,其剪切本构采用的是Krawinkler三折线模型,在OpenSees中采用Hysteretic材料进行实现。对于填充墙的模拟有太多方式,首先在结构形式上就有单撑杆模型(Single strut model)、三撑杆模型(Three strut model)、考虑剪切作用的多撑杆模型(Multi-strut model considering shear spring)。在本构关系上有FEMA356、El-Dakhakhni、Fardis等等都对填充墙的本构提出了自己的模型,我采用Fardis的三折线填充墙模型,在OpenSees同样采用Hysteretic材料进行实现,但我也见过有人用Pinching4和Pinched IMK模型对填充墙进行模拟的。

填充墙的类型是多种多样的,不同类型对钢框架的影响也就不同,我们提出了一个填充墙强度比的概念,用于量化不同填充墙类型对钢框架的影响,其公式是:

\[\beta = \frac{{{V_{frame}}}}{{{V_{\inf ill}}}}\]

其中:

\[{V_{\inf ill}} = \min \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}
{6(in){f_m}{t_{\inf ill}}}\\
{{V_{x,dis = 25mm}}}\\
{\frac{{{H_{\rm{n}}}}}{{1.5}}}
\end{array}} \right.\]

\[{H_n} = \min \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}
{3.8{A_n}\sqrt {{f_m}} }\\
\begin{array}{l}
300{A_n}\\
or
\end{array}\\
\begin{array}{l}
56{A_n} + 0.45{N_u}{\rm{ if not fully grouted}}\\
90{A_n} + 0.45{N_u}{\rm{ if fully grouted}}
\end{array}
\end{array}} \right.\]

\[{A_n} = 0.8l{t_e}\]

这是MSJC 2011对填充墙抗侧强度的计算公式,三项分别代表了当出现角部破坏时、出现25mm侧移时、出现剪切破坏时的计算公式。具体公式的展开说明不再罗列,有兴趣者可参考MSJC2011。

\[{F_{frame}} = \frac{{\sum {{M_p}} }}{h}\]

这是框架在柱底和柱顶均出现塑性铰时层间抗侧强度的计算公式,Mp为单个某个性较的屈服弯矩,等于截面塑性模量与材料屈服强度相乘。
本次填充墙模拟采用Fardis模型,填充墙结构形式采用单撑杆模型,模拟结果与试件SW进行了对比!贴一张与试验的对比图。
Graph1

参考文献
A.A. Tasnimi.Investigation on the behavior of brick-infilled steel frames with openings,experimental and analytical approaches
Fardis MN, editor. Experimental and numerical investigations on the seismic response of RC infilled frames and recommendations for code provisions. ECOEST/PREC 8

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2 Comments

  1. 不错嘛

  2. 博主,很牛逼啊,对有限元建模颇有心得!

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