组合式钢框架内填预制RC墙结构静力性能有限元分析

工程科学学报，第39卷，第11期：1753-1764,2017年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.11:1753-1764,November 2017 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.019:http://journals..ustb.edu.cn 组合式钢框架内填预制RC墙结构静力性能有限元分析 牟在根)回，杨雨青”，冯雷12)，王喆》 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)中国建筑标准设计研究院，北京100048 区通信作者，Emai:zgmu@ces.ustb.cdu.cm 摘要钢框架内填预制钢筋混凝土剪力墙结构是新型混合式结构，由钢框架与内填墙组成双重防线，具有良好的抗侧力 能力，同时预制构配件和预制装配建筑有利于推动住宅产业化发展.考虑大尺寸内填预制RC墙运输和安装困难的情况， 提出竖向和横向组合式钢框架内填RC墙结构，采用ABAQUS建立有限元模型进行结构受力分析.通过分析荷载位移曲 线，构件应力分布和变形情况，研究结构破坏特点和受力性能.结果表明，全螺栓结构因其合理的传力路径，有良好的承载 力和延性：竖向组合式具有较好的初始刚度和整体承载力，与全螺栓连接预制RC墙有近似的受力性能，便于运输和安装： 而横向组合式由于上下板缺乏有效传力路径，初始刚度和最终承载力都明显低于全螺栓和竖向组合式，不利于实际工程 应用. 关键词组合式：钢框架：预制混凝土墙：有限元分析 分类号TU375 Finite element analysis of the static behavior of steel frames with combined precast reinforced concrete infill wall structures MU Zai-gen,YANG Yu-qing,FENG Lei,WANG Zhe 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)China Institute of Building Standard Design Research,Beijing 100048,China Corresponding author,E-mail:zgmu@ces.ustb.edu.cn ABSTRACT Steel frames with precast reinforced concrete infill walls are a new type of composite structures.These composite structures have excellent lateral resistance behavior because of double defense lines comprising the steel frame and infill walls.At the same time,precast members and prefabricated buildings are favorable for the development of the housing industry.Considering the difficulties in the transportation and installation of large precast RC infill walls,steel frames with vertical and horizontal combined precast RC infill wall structures were proposed,and finite element models were established by using ABAQUS to analyze the me- chanical behaviors of the structures.By analyzing load-displacement curves,stress distributions,and deformations of members,the damage characteristics,and mechanical behaviors of the structure were studied.The results show that the whole bolt structure has good bearing capacity and ductility owing to its reasonable load transfer path:the vertical combined model has excellent initial stiff- ness and ultimate bearing capacity,similar to the whole bolt connection precast RC wall.Furthermore,the vertical combined precast RC infill wall is convenient for transportation and installation.However,the initial stiffness and ultimate bearing capacity of the hori- zontal combined model are both less than the corresponding values for the whole bolt model and the vertical combined model because of the lack of an effective load transfer path between the top and bottom RC walls.Hence,this horizontal model is not favorable for 收稿日期：2016-12-22 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51578064)；北京市自然科学基金资助项目(8172031)

工程科学学报，第 39 卷，第 11 期: 1753--1764，2017 年 11 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 11: 1753--1764，November 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 11． 019; http: / /journals． ustb． edu． cn 组合式钢框架内填预制 ＲC 墙结构静力性能有限元分析 牟在根1) ，杨雨青1) ，冯 雷1，2) ，王 喆2) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2) 中国建筑标准设计研究院，北京 100048  通信作者，E-mail: zgmu@ ces． ustb． edu． cn 收稿日期: 2016--12--22 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51578064) ; 北京市自然科学基金资助项目( 8172031) 摘 要 钢框架内填预制钢筋混凝土剪力墙结构是新型混合式结构，由钢框架与内填墙组成双重防线，具有良好的抗侧力 能力，同时预制构配件和预制装配建筑有利于推动住宅产业化发展． 考虑大尺寸内填预制 ＲC 墙运输和安装困难的情况， 提出竖向和横向组合式钢框架内填 ＲC 墙结构，采用 ABAQUS 建立有限元模型进行结构受力分析． 通过分析荷载位移曲 线，构件应力分布和变形情况，研究结构破坏特点和受力性能． 结果表明，全螺栓结构因其合理的传力路径，有良好的承载 力和延性; 竖向组合式具有较好的初始刚度和整体承载力，与全螺栓连接预制 ＲC 墙有近似的受力性能，便于运输和安装; 而横向组合式由于上下板缺乏有效传力路径，初始刚度和最终承载力都明显低于全螺栓和竖向组合式，不利于实际工程 应用． 关键词 组合式; 钢框架; 预制混凝土墙; 有限元分析 分类号 TU375 Finite element analysis of the static behavior of steel frames with combined precast reinforced concrete infill wall structures MU Zai-gen1)  ，YANG Yu-qing1) ，FENG Lei1，2) ，WANG Zhe2) 1) School of Civil and Ｒesource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) China Institute of Building Standard Design ＆ Ｒesearch，Beijing 100048，China  Corresponding author，E-mail: zgmu@ ces． ustb． edu． cn ABSTＲACT Steel frames with precast reinforced concrete infill walls are a new type of composite structures． These composite structures have excellent lateral resistance behavior because of double defense lines comprising the steel frame and infill walls． At the same time，precast members and prefabricated buildings are favorable for the development of the housing industry． Considering the difficulties in the transportation and installation of large precast ＲC infill walls，steel frames with vertical and horizontal combined precast ＲC infill wall structures were proposed，and finite element models were established by using ABAQUS to analyze the me￾chanical behaviors of the structures． By analyzing load-displacement curves，stress distributions，and deformations of members，the damage characteristics，and mechanical behaviors of the structure were studied． The results show that the whole bolt structure has good bearing capacity and ductility owing to its reasonable load transfer path; the vertical combined model has excellent initial stiff￾ness and ultimate bearing capacity，similar to the whole bolt connection precast ＲC wall． Furthermore，the vertical combined precast ＲC infill wall is convenient for transportation and installation． However，the initial stiffness and ultimate bearing capacity of the hori￾zontal combined model are both less than the corresponding values for the whole bolt model and the vertical combined model because of the lack of an effective load transfer path between the top and bottom ＲC walls． Hence，this horizontal model is not favorable for

·1754· 工程科学学报，第39卷，第11期 practical engineering applications. KEY WORDS combined:steel frame:precast reinforced concrete infill walls:finite element analysis 纯钢框架结构具有自重轻、强度高等优秀性能，但 度，因此在本文中针对这个问题，在文献5]的基础 是其在抗侧能力上具有较大的缺陷.因此，在大部分 上把单块的混凝土板分成小部分进行连接，再对整 纯钢框架结构中通过设置钢支撑来弥补抗侧力不足， 个结构进行有限元分析来考察组合式的钢框架内填 但是，钢支撑的设置提高了结构用钢量，大大增加了建 RC墙结构的受力性能. 筑结构的造价，较高的耗钢量并不经济0，不利于钢结 1 有限元模型的建立 构在实际工程中的应用于推广.钢筋混凝土剪力墙具 有刚度大、变形能力小等特点，并且在大地震情况下以 1.1基础模型 开裂和塑性变形作为耗能手段四.通过连接件将钢结 本文以整体现浇式的钢框架内填混凝土墙板的模 构和RC墙组成混合结构，提高了整个结构体系的受 型作为基础模型，其基本尺寸如图1所示，并采用 力性能，弥补传统的钢框架支撑结构体系用钢量大、造 ABAOUS有限元软件建立单跨双层分析模型.每层层 价高等缺点，保证整体结构具有足够的抗侧能力，同时 高为3.2m,跨度为6m,钢柱、钢梁和剪力钉均为Q235 将成本控制在一定范围内. 级钢，钢框架柱为400mm×400mm×14mm箱形截面 Benjamin与Williams以及Holmes通过对单层 柱，钢梁采用HN446mm×199mm×8mm×12mm工字 的钢框架内填钢筋混凝土墙结构体系进行单调加载试 钢，内填钢筋混凝土墙板厚200mm,采用C35级混凝 验研究，得到了该结构体系的极限水平承载力，并提出 土，内部双排双向布筋. 以等效对角斜压板带来代替墙体.Makino可给出了计 6000 算等效板带宽的简化计算公式，公式中等效板带宽仅 与内填充墙的对角线长度和厚度相关.浙江大学童根 树教授等6)研究了钢框架内嵌带竖缝RC剪力墙的 力学分析模型和构造要求。另有学者习对刚性和半 混凝土墙板 刚性连接钢框架内填RC墙进行了滞回性能和抗震设 计的研究 国内外学者已经对钢框架内填混凝土墙结构进 行了一定的研究，但是这些研究主要集中在传统的 混凝土墙板 其 现浇整体式模型中，这种方式影响施工的效率，削弱 了钢结构装配式施工的优势，基于这一点提出了采 7777777777777777777777777777777777777777. 用预制RC墙板代替现浇板的方法来化解该矛盾. 400 5600 409 而对内填预制式钢筋混凝土墙结构的研究较少，也 图1基础模型示意图（单位：mm) 只处于起步阶段.李慧成等0首次对钢框架内填预 Fig.1 Basic model diagram (unit:mm) 制钢筋混凝土墙的结构进行了有限元分析，初步提 出钢框架与预制剪力墙的连接构造措施.刘欠等) 基础模型为剪力钉连接式钢框架内填RC墙结构 对一个两层单跨的1/3缩尺试件进行了低周反复荷 体系，内填RC墙水平和竖直边分别通过12和5个剪 载试验，研究分析了结构的传力和破坏机理、延性和 力钉和钢框架连接.而对于预制RC墙，采用螺栓将预 耗能等.孙国华等和方有珍等2-对两层单跨的1/ 制在混凝土板四边中的钢连接板和焊接在钢框架上的 3缩尺半刚接内填RC剪力墙进行了拟静力试验，研 连接板连接在一起，形成全螺栓连接模型，如图2所 究了结构的整体性能和局部性能.文献5]对不同 示.下面以剪力钉连接的基础模型和全螺栓连接式模 连接方式的刚框架内填RC墙结构受力进行了有限 型与组合式模型进行受力性能的对比，其中螺栓式模 元分析，三边螺栓连接预制钢筋混凝土墙具有较好 型与组合式模型的几何尺寸和螺栓设置等均和基本模 的受力性能并且削弱了框架和混凝土的对角挤压作 型相同 用.已有文献并未考虑单块的预制RC墙具有较大 1.2组合式模型 的体积和质量的情况，在现场施工中具有较高的难 本文将每层内填RC墙分别沿竖向和横向对称切

工程科学学报，第 39 卷，第 11 期 practical engineering applications． KEY WOＲDS combined; steel frame; precast reinforced concrete infill walls; finite element analysis 纯钢框架结构具有自重轻、强度高等优秀性能，但 是其在抗侧能力上具有较大的缺陷． 因此，在大部分 纯钢框架结构中通过设置钢支撑来弥补抗侧力不足． 但是，钢支撑的设置提高了结构用钢量，大大增加了建 筑结构的造价，较高的耗钢量并不经济［1］，不利于钢结 构在实际工程中的应用于推广． 钢筋混凝土剪力墙具 有刚度大、变形能力小等特点，并且在大地震情况下以 开裂和塑性变形作为耗能手段［2］． 通过连接件将钢结 构和 ＲC 墙组成混合结构，提高了整个结构体系的受 力性能，弥补传统的钢框架支撑结构体系用钢量大、造 价高等缺点，保证整体结构具有足够的抗侧能力，同时 将成本控制在一定范围内． Benjamin 与 Williams［3］以及 Holmes［4］通过对单层 的钢框架内填钢筋混凝土墙结构体系进行单调加载试 验研究，得到了该结构体系的极限水平承载力，并提出 以等效对角斜压板带来代替墙体． Makino［5］给出了计 算等效板带宽的简化计算公式，公式中等效板带宽仅 与内填充墙的对角线长度和厚度相关． 浙江大学童根 树教授等［6--7］研究了钢框架内嵌带竖缝 ＲC 剪力墙的 力学分析模型和构造要求． 另有学者［8--9］对刚性和半 刚性连接钢框架内填 ＲC 墙进行了滞回性能和抗震设 计的研究． 国内外学者已经对钢框架内填混凝土墙结构进 行了一定的研究，但是这些研究主要集中在传统的 现浇整体式模型中，这种方式影响施工的效率，削弱 了钢结构装配式施工的优势，基于这一点提出了采 用预制 ＲC 墙 板 代 替 现 浇 板 的 方 法 来 化 解 该 矛 盾． 而对内填预制式钢筋混凝土墙结构的研究较少，也 只处于起步阶段． 李慧成等［10］首次对钢框架内填预 制钢筋混凝土墙的结构进行了有限元分析，初步提 出钢框架与预制剪力墙的连接构造措施． 刘欠等［11］ 对一个两层单跨的 1 /3 缩尺试件进行了低周反复荷 载试验，研究分析了结构的传力和破坏机理、延性和 耗能等． 孙国华等和方有珍等［12--14］对两层单跨的 1 / 3 缩尺半刚接内填 ＲC 剪力墙进行了拟静力试验，研 究了结构的整体性能和局部性能． 文献［15］对不同 连接方式的刚框架内填 ＲC 墙结构受力进行了有限 元分析，三边螺栓连接预制钢筋混凝土墙具有较好 的受力性能并且削弱了框架和混凝土的对角挤压作 用． 已有文献并未考虑单块的预制 ＲC 墙具有较大 的体积和质量的情况，在现场施工中具有较高的难 度，因此在本文中针对这个问题，在文献［15］的基础 上把单块的混凝土板分成小部分进行连接，再对整 个结构进行有限元分析来考察组合式的钢框架内填 ＲC 墙结构的受力性能． 1 有限元模型的建立 1. 1 基础模型 本文以整体现浇式的钢框架内填混凝土墙板的模 型作 为 基 础 模 型，其 基 本 尺 寸 如 图 1 所 示，并 采 用 ABAQUS 有限元软件建立单跨双层分析模型． 每层层 高为 3. 2 m，跨度为 6 m，钢柱、钢梁和剪力钉均为 Q235 级钢，钢框架柱为 400 mm × 400 mm × 14 mm 箱形截面 柱，钢梁采用 HN446 mm × 199 mm × 8 mm × 12 mm 工字 钢，内填钢筋混凝土墙板厚 200 mm，采用 C35 级混凝 土，内部双排双向布筋． 图 1 基础模型示意图( 单位: mm) Fig． 1 Basic model diagram ( unit: mm) 基础模型为剪力钉连接式钢框架内填 ＲC 墙结构 体系，内填 ＲC 墙水平和竖直边分别通过 12 和 5 个剪 力钉和钢框架连接． 而对于预制 ＲC 墙，采用螺栓将预 制在混凝土板四边中的钢连接板和焊接在钢框架上的 连接板连接在一起，形成全螺栓连接模型，如图 2 所 示． 下面以剪力钉连接的基础模型和全螺栓连接式模 型与组合式模型进行受力性能的对比，其中螺栓式模 型与组合式模型的几何尺寸和螺栓设置等均和基本模 型相同． 1. 2 组合式模型 本文将每层内填 ＲC 墙分别沿竖向和横向对称切 · 4571 ·

牟在根等：组合式钢框架内填预制RC墙结构静力性能有限元分析 ·1755· 图2全螺栓模型 图4横向组合式模型示意图 Fig.2 Full bolts model Fig.4 Horizontal combined model 成两块，形成两种组合式模型，即竖向组合式模型和横 向组合式模型，并对其进行分析和研究.竖向组合式 2全螺栓模型有限元分析 模型可看作把全螺栓模型的内填RC墙沿着竖向的轴 本文中采用ABAQUS软件对全螺栓模型进行有 对称线分开而成.在建立模型时，把在全螺栓模型中 限元分析，其意义在于验证三边螺栓模型中嵌固的 用来连接框架与内填RC墙的内嵌于墙中连接板也进 连接方式对结构整体性的影响，以及为后面进一步分 行相应的分离，而连接于钢框架上的连接板则不作分 析螺栓分布对结构的影响做准备.对全螺栓模型进行 开处理，同时对于分开的两块板之间的接触面设置硬 分析时采用与基础模型相同的位移加载的方法，其水 接触的关系.模型中的其他设置和全螺栓模型相同， 平加载点位于顶部参考耦合点，分析步时间为1$，加 最终竖向组合式模型如图3所示 载距离为60mm. 2.1荷载位移曲线 全螺栓模型是相对于三边螺栓模型而言的，它和 后者的主要区别在于全螺栓模型采用螺栓连接代替了 三边螺栓模型中混凝土下方嵌固的连接方式，而其他 情况，如模型简化、螺栓设置等均和三边螺栓模型 相同.图5为全螺栓模型荷载位移曲线. 4000r 3500 3000 2500H 2000 1500 整体模型 边模型 图3竖向组合式模型示意图 1000 ~全爆栓模型 Fig.3 Vertical combined model 500 同样的，横向组合式模型是在全螺栓模型的基 1020304050607080 位移mm 础上将内填RC墙沿着横向的轴对称线分开形成的， 而其他情况和竖向组合式模型相同，模型如图4 图5全螺栓模型荷载位移曲线 Fig.5 Displacement-oad curves of full bolts model 所示

牟在根等: 组合式钢框架内填预制 ＲC 墙结构静力性能有限元分析 图 2 全螺栓模型 Fig． 2 Full bolts model 成两块，形成两种组合式模型，即竖向组合式模型和横 向组合式模型，并对其进行分析和研究． 竖向组合式 模型可看作把全螺栓模型的内填 ＲC 墙沿着竖向的轴 对称线分开而成． 在建立模型时，把在全螺栓模型中 用来连接框架与内填 ＲC 墙的内嵌于墙中连接板也进 行相应的分离，而连接于钢框架上的连接板则不作分 开处理，同时对于分开的两块板之间的接触面设置硬 接触的关系． 模型中的其他设置和全螺栓模型相同， 最终竖向组合式模型如图 3 所示． 图 3 竖向组合式模型示意图 Fig． 3 Vertical combined model 同样的，横向组合式模型是在全螺栓模型的基 础上将内填 ＲC 墙沿着横向的轴对称线分开形成的， 而其他 情 况 和 竖 向 组 合 式 模 型 相 同，模 型 如 图 4 所示． 图 4 横向组合式模型示意图 Fig． 4 Horizontal combined model 2 全螺栓模型有限元分析 本文中采用 ABAQUS 软件对全螺栓模型进行有 限元分析，其意义在于验证三边螺栓模型［15］中嵌固的 连接方式对结构整体性的影响，以及为后面进一步分 析螺栓分布对结构的影响做准备． 对全螺栓模型进行 分析时采用与基础模型相同的位移加载的方法，其水 平加载点位于顶部参考耦合点，分析步时间为 1 s，加 载距离为 60 mm． 2. 1 荷载位移曲线 全螺栓模型是相对于三边螺栓模型而言的，它和 后者的主要区别在于全螺栓模型采用螺栓连接代替了 三边螺栓模型中混凝土下方嵌固的连接方式，而其他 情况，如模型简化、螺栓设置等均和三边螺栓模型［15］ 相同． 图 5 为全螺栓模型荷载位移曲线． 图 5 全螺栓模型荷载位移曲线 Fig． 5 Displacement-load curves of full bolts model · 5571 ·

·1756· 工程科学学报，第39卷，第11期 从荷载位移曲线可以得到全螺栓模型的初始刚度 2.2各构件破坏特征 为235kN·mm',略小于三边螺栓模型的270kN· (1)钢框架. mm.图5中可以看到全螺栓模型有较为明显的屈服 图6展示了全螺栓模型中钢框架的应力分布及 点，并且在达到屈服点时的加载位移和三边螺栓模型 变形随着加载位移增大的变化情况.其中图6(a)为 基本相同，只是屈服时的承载力略小于三边螺栓模型； 结构达到屈服点的时刻，(b)和(c)则分别为结构达 但在屈服点之后，全螺栓模型的承载力持续加大，即进 到最大承载力和加载位移达到最大的时刻.从图6 入强化阶段，其程度远远大于三边螺栓模型和整体的 (a)可以看到在屈服时刻，整个框架只有在一层梁右 基础模型，达到最大承载力时加载位移已经达44mm, 端下部局部区域达到极限强度.随着加载位移继续 并且承载力约为3395kN,比三边螺栓模型2700kN的 增大，二层梁左端的变形破坏迅速向右延伸，而且一 承载力提升了25%；最后，在达到最大承载力后，结构 层梁中部开始出现破坏.直到加载到最大位移，结构 的承载力开始下降，但无明显下降，说明具有较好的延 没有出现新的屈服区域，只是原有的破坏区域不断 性性能. 扩大. (国 应力Pa 应力Pa 2.350x10 ■2.212×10 2.155×10 2.028×10 1.959x10 1.843×10 1.764×10 16s9×10y 1.475x10 1.568×10 1.291x1 1.373×103 L.107×10 1.177×103 9.227×107 9.821×10 7.386x10 7.866x10 5.554×107 5.912×107 3.703×10 3.958×10 1.861×107 2.004×102 1.996x10 4.944×105 (c) 应力Pa ■2.350x10 2.157×10 1.963×103 1.770x10 1s76×10N 1.383×10 1.189×10 9.956×107 8.021×107 6.086×10 4.151×10 2.216x10 2.809x10 图6全螺栓模型钢框架Miss应力和变形图.(a)结构达到屈服点：(b)结构达到最大承载力：(c)加载位移达到最大 Fig.6 Mises stress and deformation of steel frame with full bolts model:(a)the structure reaches the yield point:(b)the structure reaches the max- imum bearing capacity:(c)the structure reaches the maximum load displacement (2)混凝土板 并且直到此时，板中才有一小部分区域的应力值达 图7中可以看到混凝土板在结构屈服时刻的应 到破坏荷载 力较小，能够比较均匀地分布在板中部区域，接着板 图8显示了混凝土板受压损伤的变化情况，可以 中出现了数道斜向的应力带，尤其在每层板的左下 看到，在结构屈服点时，板内只有在一层板的左边部分 和右上两个角部出现了较大应力区，随着加载位移 区域出现了受压损伤，但是从损伤因子来看，其破坏程 的持续增大，角部的应力带更加明显并有所扩大，而 度很小：随着加载位移继续增大，达到结构的最大承载 中部区域的应力在减小，总体来看，应力分布有向角 力时，板内都已经比较均匀地出现了受压损伤，在每层 部集中的趋势.最后在加载位移达到最大值时，混凝 板左上边和右下部出现较大的横向压损伤，而该部位 土板角部的两个L形的应力集中带已经十分明显， 基本就是在预埋的钢板连接件的底部.之后，板内左

工程科学学报，第 39 卷，第 11 期 从荷载位移曲线可以得到全螺栓模型的初始刚度 为 235 kN·mm － 1，略小于三边螺栓模型的 270 kN· mm － 1 ． 图5 中可以看到全螺栓模型有较为明显的屈服 点，并且在达到屈服点时的加载位移和三边螺栓模型 基本相同，只是屈服时的承载力略小于三边螺栓模型; 但在屈服点之后，全螺栓模型的承载力持续加大，即进 入强化阶段，其程度远远大于三边螺栓模型和整体的 基础模型，达到最大承载力时加载位移已经达 44 mm， 并且承载力约为 3395 kN，比三边螺栓模型 2700 kN 的 承载力提升了 25% ; 最后，在达到最大承载力后，结构 的承载力开始下降，但无明显下降，说明具有较好的延 性性能． 2. 2 各构件破坏特征 ( 1) 钢框架． 图 6 展示了全螺栓模型中钢框架的应力分布及 变形随着加载位移增大的变化情况． 其中图 6( a) 为 结构达到屈服点的时刻，( b) 和( c) 则分别为结构达 到最大承载力和加载位移达到最大的时刻． 从图 6 ( a) 可以看到在屈服时刻，整个框架只有在一层梁右 端下部局部区域达到极限强度． 随着加载位移继续 增大，二层梁左端的变形破坏迅速向右延伸，而且一 层梁中部开始出现破坏． 直到加载到最大位移，结构 没有出现新的屈服区域，只是原有的破坏区域不断 扩大． 图 6 全螺栓模型钢框架 Mises 应力和变形图 . ( a) 结构达到屈服点; ( b) 结构达到最大承载力; ( c) 加载位移达到最大 Fig． 6 Mises stress and deformation of steel frame with full bolts model: ( a) the structure reaches the yield point; ( b) the structure reaches the max￾imum bearing capacity; ( c) the structure reaches the maximum load displacement ( 2) 混凝土板． 图 7 中可以看到混凝土板在结构屈服时刻的应 力较小，能够比较均匀地分布在板中部区域，接着板 中出现了数道斜向的应力带，尤其在每层板的左下 和右上两个角部出现了较大应力区，随着加载位移 的持续增大，角部的应力带更加明显并有所扩大，而 中部区域的应力在减小，总体来看，应力分布有向角 部集中的趋势． 最后在加载位移达到最大值时，混凝 土板角部的两个 L 形的应力集中带已经十分明显， 并且直到此时，板中才有一小部分区域的应力值达 到破坏荷载． 图 8 显示了混凝土板受压损伤的变化情况，可以 看到，在结构屈服点时，板内只有在一层板的左边部分 区域出现了受压损伤，但是从损伤因子来看，其破坏程 度很小; 随着加载位移继续增大，达到结构的最大承载 力时，板内都已经比较均匀地出现了受压损伤，在每层 板左上边和右下部出现较大的横向压损伤，而该部位 基本就是在预埋的钢板连接件的底部． 之后，板内左 · 6571 ·

牟在根等：组合式钢框架内填预制RC墙结构静力性能有限元分析 ·1757· (a 公 应力/Pa 应力Pa ■2.147x10 ■2.147×10 1.970x107 1.968×10 1.793x10 1.789×10 1.617×10 1.611×10 1440×10 1.432×10 1.263x107 1.253×10 1.086x10 1.074×10 g090×10泸 8.952×10㎡ 7.321×105 7.164×10 5.552×10 5.375x10㎡ ● 3.783×10 2.014×10 3.587×10㎡ ■2.452×10 1.798×1 9.441×10F (c) 应力Pa 2.147×10 1.971×107 1.794×10 1.617×102 1.441×10 1.264×102 1.088×10 9.111×10m 7.345×10 5.580x10m 3.814×10 2.048×10㎡ 2.822×105 图7全螺栓模型混凝土板Mss应力分布及变形图.(a)结构达到屈服点：(b)结构达到最大承载力：(c)加载位移达到最大 Fig.7 Mises tress distribution and deformation of RC wall with full bolts model:(a)the structure reaches the yield point:(b)the structure reaches the maximum bearing capacity:(c)the structure reaches the maximum load displacement 上和右下的横向受压损伤带向右向左扩展，并且损伤 变，达到2000kN承载力后开始出现屈服，进入塑性强 程度加大，在达到最大加载位移的时候，损伤因子已经 化阶段，随后其承载力缓慢增加直到超过全螺栓模型 超过0.9. 达到3240kN,此外，在整个加载过程未出现下降段，表 图9显示了混凝土板的受拉损伤情况，首先在屈 明其在加载范围内具有较好的延性 服点时，板出现受拉损伤的区域和受压损伤完全相同， 3.2各构件破坏特征 只是受拉损伤程度较大；在加载位移为24mm时，板内 从图10荷载位移曲线中可以看到，竖向组合式模 已经出现大面积的受拉损伤，之后混凝土受拉损伤面 型与基础模型及全螺栓模型相比，其曲线具有的明显 积进一步扩大，基本占据了全部板的面积，所以在达到 差别在于其有两个明显的刚度变化点，其中在第一个 最大承载力之后，其变化不大 刚度变化点(a点)之后，其刚度只是减少但是依然保 特为常量，而在第二个刚度变化点(b点)之后的刚度 3竖向组合式模型有限元分析 则呈现出逐渐减小的趋势，因此在这里可以认为，b点 3.1荷载位移曲线 为该模型的真正屈服点，而至于a点出现这样的刚度 通过提取加载点的反力与位移数据，得到该模型 变化，则需要通过对各构件的应力和变形进行分析来 的荷载位移曲线，并将其与全螺栓模型和基础模型比 寻找答案.因此在各构件的破坏特征中，主要考察其 较，如图10所示 对应荷载位移曲线中a点，b点和c点（最大位移加载 从图10中可以看到竖向组合式模型的初始刚度 点)的变形和应力分布特征 和全螺栓模型基本相当，为225kN·mml,但是在承载 (1)钢框架 力达到750kN时，该模型的刚度出现了第一次下降， 图11展示了竖向组合模型钢框架在两个刚度变 这和全螺栓模型有所区别，之后其刚度基本刚保持不 化点和最大加载位移时的应力分布及变形情况，其中

牟在根等: 组合式钢框架内填预制 ＲC 墙结构静力性能有限元分析 图 7 全螺栓模型混凝土板 Mises 应力分布及变形图 . ( a) 结构达到屈服点; ( b) 结构达到最大承载力; ( c) 加载位移达到最大 Fig． 7 Mises tress distribution and deformation of ＲC wall with full bolts model: ( a) the structure reaches the yield point; ( b) the structure reaches the maximum bearing capacity; ( c) the structure reaches the maximum load displacement 上和右下的横向受压损伤带向右向左扩展，并且损伤 程度加大，在达到最大加载位移的时候，损伤因子已经 超过 0. 9． 图 9 显示了混凝土板的受拉损伤情况，首先在屈 服点时，板出现受拉损伤的区域和受压损伤完全相同， 只是受拉损伤程度较大; 在加载位移为 24 mm 时，板内 已经出现大面积的受拉损伤，之后混凝土受拉损伤面 积进一步扩大，基本占据了全部板的面积，所以在达到 最大承载力之后，其变化不大． 3 竖向组合式模型有限元分析 3. 1 荷载位移曲线 通过提取加载点的反力与位移数据，得到该模型 的荷载位移曲线，并将其与全螺栓模型和基础模型比 较，如图 10 所示． 从图 10 中可以看到竖向组合式模型的初始刚度 和全螺栓模型基本相当，为 225 kN·mm － 1，但是在承载 力达到 750 kN 时，该模型的刚度出现了第一次下降， 这和全螺栓模型有所区别，之后其刚度基本刚保持不 变，达到 2000 kN 承载力后开始出现屈服，进入塑性强 化阶段，随后其承载力缓慢增加直到超过全螺栓模型 达到 3240 kN，此外，在整个加载过程未出现下降段，表 明其在加载范围内具有较好的延性． 3. 2 各构件破坏特征 从图 10 荷载位移曲线中可以看到，竖向组合式模 型与基础模型及全螺栓模型相比，其曲线具有的明显 差别在于其有两个明显的刚度变化点，其中在第一个 刚度变化点( a 点) 之后，其刚度只是减少但是依然保 持为常量，而在第二个刚度变化点( b 点) 之后的刚度 则呈现出逐渐减小的趋势，因此在这里可以认为，b 点 为该模型的真正屈服点，而至于 a 点出现这样的刚度 变化，则需要通过对各构件的应力和变形进行分析来 寻找答案． 因此在各构件的破坏特征中，主要考察其 对应荷载位移曲线中 a 点，b 点和 c 点( 最大位移加载 点) 的变形和应力分布特征． ( 1) 钢框架． 图 11 展示了竖向组合模型钢框架在两个刚度变 化点和最大加载位移时的应力分布及变形情况，其中 · 7571 ·

·1758· 工程科学学报，第39卷，第11期 a (b) 损伤因子 损伤因子 ■4.019x101 ■8.500x10- 3.684×10-2 7.792x10-1 3.349×10-2 7.084×10-1 3.014×103 6.375×10H 2.679x102 5.667x10-1 2.344×10-2 4.959x10-1 2.009x10 4.250x10-1 1.675×102 3.542×10 1.340x10-2 2.833×101 1.005×102 2.125x10-1 6.698×1 1.417×10-1 3.349x10- 7.084x102 0 (c) 损伤因子 9.087×101 8.330x101 7.573x10 6.815x10H 6.058×101 5.301×10 4.544×10 3.786x10- 3.029×10- 2.272×10- 1.515×10- 7.573x102 0 图8全螺栓模型混凝土板受压破坏情况.(：)结构达到屈服点：(b)结构达到最大承载力：()加载位移达到最大 Fig.8 Compressive failure of RC wall with full bolts model:(a)the structure reaches the yield point:(b)the structure reaches the maximum bear- ing capacity:(c)the structure reaches the maximum load displacement (a)和(b)对应两个刚度的变化点，(c)为最大加载位 首先从其应力分布和变形图(al)~(cl)中可以 移时刻.从图中可以看到，在第一个刚度变化点时刻， 看到，在刚度第一次出现变化的时刻，板中应力最大 钢框架中的应力均较小，没有出现任何破坏的现象，可 区域出现在两块板接触面的上下两端，而在左右板 以判断，第一次刚度的变化与钢框架没有关系.之后 块内各自基本形成斜向的应力带：达到屈服点时刻 随着位移加大，达到第二个刚度变化点，即屈服点，此 板中应力增大，但是分布形式基本不变，显示出更加 时钢框架中主要发生屈服区域位于二层梁左边部分， 明显的斜向应力带：最后在加载位移达到最大的时 以及一层梁右边与柱相接部位，这说明在竖向组合式 刻，板中的应力分布发生较大的变化，斜向的应力带 模型中，在屈服时刻之前位于加载侧的钢框架承担了 已经消失，较大的应力分布在左侧板中的左下角和 较多的传递力的作用，所以会较先发生屈服.最后达 右侧板的右上角，由于板的应力分布情况可以反映 到最大加载位移时，钢框架中二层梁的左边已经发生 出钢框架和混凝土板之间的力的传递方式，可以看 较大面积的屈服和变形，而一层梁中间靠左的地方亦 到在该模型中钢框架和混凝土板之间力的传递路径 发生较大的变形与屈服破坏 发生了较大的变化 (2)混凝土板 从混凝土板的受压损伤来看(a2)~（c2),在第一 为了便于分析和比较，将混凝土板的应力分布和 次刚度转折点，只在左右两块板接触面的局部区域出 变形情况，受压损伤和受拉损伤图放在一起进行讨论. 现压破坏，虽然面积不大但是破坏程度较大：之后随着 如图12所示，(al)~(cl)为竖向组合式模型中混凝 板中斜向应力带的形成，在达到屈服点时刻，板中的受 土板对应图10中荷载位移曲线a,b和c三点时的应 压破坏主要集中在板的两个对角，此时受压损伤的面 力分布和变形情况，同样的，(a2)~(2)和(a3)~ 积略有增大，但损伤程度未达到破坏级别：最后在达到 (3)分别为相应点混凝土板的受压损伤和受拉损伤 最大加载位移时，板中出现大面积的受压破坏，主要分 情况. 布于混凝土内部连接板下，这主要是由于钢框架出现

工程科学学报，第 39 卷，第 11 期 图 8 全螺栓模型混凝土板受压破坏情况 . ( a) 结构达到屈服点; ( b) 结构达到最大承载力; ( c) 加载位移达到最大 Fig． 8 Compressive failure of ＲC wall with full bolts model: ( a) the structure reaches the yield point; ( b) the structure reaches the maximum bear￾ing capacity; ( c) the structure reaches the maximum load displacement ( a) 和( b) 对应两个刚度的变化点，( c) 为最大加载位 移时刻． 从图中可以看到，在第一个刚度变化点时刻， 钢框架中的应力均较小，没有出现任何破坏的现象，可 以判断，第一次刚度的变化与钢框架没有关系． 之后 随着位移加大，达到第二个刚度变化点，即屈服点，此 时钢框架中主要发生屈服区域位于二层梁左边部分， 以及一层梁右边与柱相接部位，这说明在竖向组合式 模型中，在屈服时刻之前位于加载侧的钢框架承担了 较多的传递力的作用，所以会较先发生屈服． 最后达 到最大加载位移时，钢框架中二层梁的左边已经发生 较大面积的屈服和变形，而一层梁中间靠左的地方亦 发生较大的变形与屈服破坏． ( 2) 混凝土板． 为了便于分析和比较，将混凝土板的应力分布和 变形情况，受压损伤和受拉损伤图放在一起进行讨论． 如图 12 所示，( a1) ～ ( c1) 为竖向组合式模型中混凝 土板对应图 10 中荷载位移曲线 a，b 和 c 三点时的应 力分布和变形情况，同样的，( a2) ～ ( c2) 和( a3) ～ ( c3) 分别为相应点混凝土板的受压损伤和受拉损伤 情况． 首先从其应力分布和变形图( a1) ～ ( c1) 中可以 看到，在刚度第一次出现变化的时刻，板中应力最大 区域出现在两块板接触面的上下两端，而在左右板 块内各自基本形成斜向的应力带; 达到屈服点时刻 板中应力增大，但是分布形式基本不变，显示出更加 明显的斜向应力带; 最后在加载位移达到最大的时 刻，板中的应力分布发生较大的变化，斜向的应力带 已经消失，较大的应力分布在左侧板中的左下角和 右侧板的右上角，由于板的应力分布情况可以反映 出钢框架和混凝土板之间的力的传递方式，可以看 到在该模型中钢框架和混凝土板之间力的传递路径 发生了较大的变化． 从混凝土板的受压损伤来看( a2) ～ ( c2) ，在第一 次刚度转折点，只在左右两块板接触面的局部区域出 现压破坏，虽然面积不大但是破坏程度较大; 之后随着 板中斜向应力带的形成，在达到屈服点时刻，板中的受 压破坏主要集中在板的两个对角，此时受压损伤的面 积略有增大，但损伤程度未达到破坏级别; 最后在达到 最大加载位移时，板中出现大面积的受压破坏，主要分 布于混凝土内部连接板下，这主要是由于钢框架出现 · 8571 ·

牟在根等：组合式钢框架内填预制RC墙结构静力性能有限元分析 ·1759· (a) (b) 损伤因子 损伤因子 8.471×10 9.611×10 7.765×10 8.810x10 7.059x10 8.009×101 6.353x10- 7.208×101 5.647×10- 6.407×10l 4.941×10 5.606x101 4.236x10 4.805×10 3.530x10- 4.005×10 2.824×10 3.204×101 2.118x10 2.403×101 1.412×10 1.602x10- 7.059x102 8.009x102 g 损伤因子 ■ 9.611×10- 8.810×10- 8.009x10 7.208×10 6.407x10+ 5.606x10 4.805×10- 4.005×10- 3.204×10 2403×10t 1.602×10 8.009x10-2 0 图9全螺栓模型混凝土板受拉破坏情况.()结构达到屈服点：(b)结构达到最大承载力：(c)加载位移达到最大 Fig.9 Tensile failure of RC wall with full bolts model:(a)the structure reaches the yield point:(b)the structure reaches the maximum bearing ca- pacity:(c)the structure reaches the maximum load displacement 4000 情况，可以看到整个加载过程中，其接触应力主要存在 3500 于接触面的上下两边，只是大小不断增大而已.这说 3000 明在两块板之间力的传递主要通过上下接触面间的挤 2500 压进行的 2000 因此，结合钢框架与混凝土板的应力分布和变 1500 形情况，以及混凝土板的损伤情况来看，造成模型出 基模型 全提栓模型 现第一次刚度下降的原因在于左右两块板初始接触 1000 竖向组合模型 部位的局部损伤.从力的传递途径上来讲，竖向组合 500 式模型中整体上和全螺栓模型基本相似，只是在达 10203040506070 位移m 到最大加载位移之前会在左右板中各自形成对角挤 压的状态 图10竖向组合式模型荷载位移曲线 Fig.10 Displacement-oad curve of vertical combined model 综合上述的竖向组合模型的荷载位移曲线及各 部件的破坏变化情况，竖向组合式模型具有和全螺 了较大的变形引起的 栓模型相近的初始刚度，均小于基础模型：但是竖向 从混凝土板的受拉损伤变化情况中可以看到 组合式模型的刚度在达到屈服点之前发生一次下 (3)~(c3),在第一次刚度变化点时，其受拉损伤区 降，这是由于组合式模型中左右两块板的挤压导致 域和受压损伤区域基本相同，随后大面积的扩展到左 局部发生损伤导致的：其次，在承载力上竖向组合式 侧板上部和右侧板下部以及左侧板的斜向应力带旁 模型最终趋向于全螺栓模型，具有较好的承载能力： 边，最后整个板几乎全部发生拉破坏 对于竖向组合式模型中两块板之间力的传递主要有 图13展示了左右两块混凝土板之间的接触应力 两者接触部位的上下局部区域通过挤压进行，从整

牟在根等: 组合式钢框架内填预制 ＲC 墙结构静力性能有限元分析 图 9 全螺栓模型混凝土板受拉破坏情况 . ( a) 结构达到屈服点; ( b) 结构达到最大承载力; ( c) 加载位移达到最大 Fig． 9 Tensile failure of ＲC wall with full bolts model: ( a) the structure reaches the yield point; ( b) the structure reaches the maximum bearing ca￾pacity; ( c) the structure reaches the maximum load displacement 图 10 竖向组合式模型荷载位移曲线 Fig． 10 Displacement-load curve of vertical combined model 了较大的变形引起的． 从混凝土板的受拉损伤变 化 情 况 中 可 以 看 到 ( a3) ～ ( c3) ，在第一次刚度变化点时，其受拉损伤区 域和受压损伤区域基本相同，随后大面积的扩展到左 侧板上部和右侧板下部以及左侧板的斜向应力带旁 边，最后整个板几乎全部发生拉破坏． 图 13 展示了左右两块混凝土板之间的接触应力 情况，可以看到整个加载过程中，其接触应力主要存在 于接触面的上下两边，只是大小不断增大而已． 这说 明在两块板之间力的传递主要通过上下接触面间的挤 压进行的． 因此，结合钢框架与混凝土板的应力分布和变 形情况，以及混凝土板的损伤情况来看，造成模型出 现第一次刚度下降的原因在于左右两块板初始接触 部位的局部损伤． 从力的传递途径上来讲，竖向组合 式模型中整体上和全螺栓模型基本相似，只是在达 到最大加载位移之前会在左右板中各自形成对角挤 压的状态． 综合上述的竖向组合模型的荷载位移曲线及各 部件的破坏变化情况，竖向组合式模型具有和全螺 栓模型相近的初始刚度，均小于基础模型; 但是竖向 组合式模型的刚度在达到屈服点之前发生一次下 降，这是由于组合式模型中左右两块板的挤压导致 局部发生损伤导致的; 其次，在承载力上竖向组合式 模型最终趋向于全螺栓模型，具有较好的承载能力; 对于竖向组合式模型中两块板之间力的传递主要有 两者接触部位的上下局部区域通过挤压进行，从整 · 9571 ·

·1760· 工程科学学报，第39卷，第11期 a b 应力Pa 应力Pa 1.059x10s 2.350×10 9.711×107 2.155×108 8.833×107 7.954×107 1.960x108 1.765x10 7.075×10 1.570x10 6.197×10 L.375×10 5.318×10 1.180x108 4.439x107 9.848×107 3.561×107 2.682×10 7.898×10 1.803×107 5.948×107 9.245×10 3.998×10 4.586×103 2.048×10 9.728x105 (c) 应力Pa ■2.350x10 2.157x10 1.964x10 1.771×10° 1.579x10 1.386×10 1.193×10 9.998×10 8.069x10 6.140x10F 4.211×10 2.282x10 3.528x10㎡ 图11竖向组合式模型钢框架Mises应力和变形图.(a)刚度变化点a:(b)刚度变化点b:(c)最大加载位移点c Fig.11 Mises stress and deformation of steel frame with vertical combined model:(a)stiffness change point a:(b)stiffness change point b:(c) maximum loading displacement point c 体上能看出钢框架的力能够比较有效地传递到混凝 未出现明显的破坏现象，因此这里不再讨论在该时 土板中，所以混凝土板的承载性能得到比较好的利 刻结构各构件的应力与变形情况：然而，为了和其他 用.竖向组合式模型具有较好的力学性能，和全螺栓 模型进行比较，这里给出横向组合式模型屈服时刻 模型相比还拥有便于运输和安装的优点，因此更容 对应加载位移的横向组合式模型的各构件应力分布 易在实际工程中得以推广. 与变形情况 (1)钢框架 4横向组合式模型有限元分析 图15显示了横向组合式模型在加载位移为19mm 4.1荷载位移曲线 (即横向组合式模型屈服对应位移)时和加载到最大 通过提取加载点的位移和反力得到横向组合式模 位移时的应力分布和变形情况.从图中可以看到，在 型的荷载位移曲线，将其与基础模型和全螺栓模型比 对应屈服点时刻，钢框架内没有出现明显的屈服现象， 较，如图14所示. 应力较大的区域位于上层框架梁中间部位，即上层板 从图14中可以看到，横向组合式模型在加载的初 分成两层的地方，而在达到最大加载位移时，这个部位 始阶段具有和全螺栓模型相近的初始刚度，但是很快 已经发生明显的屈服；此外在达到最大位移的时候，钢 其出现屈曲点，进入塑性强化阶段，之后承载力逐渐增 框架两个柱脚均已经发生屈服，同时一层框架梁的右 加，最终达到2180kN,远小于整体式模型和全螺栓模 端和柱接触的地方亦屈服破坏.但是和竖向组合式模 型，同样和横向组合式模型有较大差距 型相比，整体上横向组合式模型中钢框架在最大加载 4.2各构件破坏特征 位移时发生屈服部位较少，面积较小 从图14荷载位移曲线可以看到，横向组合式模 (2)混凝土板 型在很早的时候就出现了屈服，此时其各个构件并 图16展示了横向组合式模型中混凝土板的应

工程科学学报，第 39 卷，第 11 期 图 11 竖向组合式模型钢框架 Mises 应力和变形图 . ( a) 刚度变化点 a; ( b) 刚度变化点 b; ( c) 最大加载位移点 c Fig． 11 Mises stress and deformation of steel frame with vertical combined model: ( a) stiffness change point a; ( b) stiffness change point b; ( c) maximum loading displacement point c 体上能看出钢框架的力能够比较有效地传递到混凝 土板中，所以混凝土板的承载性能得到比较好的利 用． 竖向组合式模型具有较好的力学性能，和全螺栓 模型相比还拥有便于运输和安装的优点，因此更容 易在实际工程中得以推广． 4 横向组合式模型有限元分析 4. 1 荷载位移曲线 通过提取加载点的位移和反力得到横向组合式模 型的荷载位移曲线，将其与基础模型和全螺栓模型比 较，如图 14 所示． 从图 14 中可以看到，横向组合式模型在加载的初 始阶段具有和全螺栓模型相近的初始刚度，但是很快 其出现屈曲点，进入塑性强化阶段，之后承载力逐渐增 加，最终达到 2180 kN，远小于整体式模型和全螺栓模 型，同样和横向组合式模型有较大差距． 4. 2 各构件破坏特征 从图 14 荷载位移曲线可以看到，横向组合式模 型在很早的时候就出现了屈服，此时其各个构件并 未出现明显的破坏现象，因此这里不再讨论在该时 刻结构各构件的应力与变形情况; 然而，为了和其他 模型进行比较，这里给出横向组合式模型屈服时刻 对应加载位移的横向组合式模型的各构件应力分布 与变形情况． ( 1) 钢框架． 图 15 显示了横向组合式模型在加载位移为19 mm ( 即横向组合式模型屈服对应位移) 时和加载到最大 位移时的应力分布和变形情况． 从图中可以看到，在 对应屈服点时刻，钢框架内没有出现明显的屈服现象， 应力较大的区域位于上层框架梁中间部位，即上层板 分成两层的地方，而在达到最大加载位移时，这个部位 已经发生明显的屈服; 此外在达到最大位移的时候，钢 框架两个柱脚均已经发生屈服，同时一层框架梁的右 端和柱接触的地方亦屈服破坏． 但是和竖向组合式模 型相比，整体上横向组合式模型中钢框架在最大加载 位移时发生屈服部位较少，面积较小． ( 2) 混凝土板． 图 16 展示了横向组合式模型中混凝土板的应 · 0671 ·

牟在根等：组合式钢框架内填预制RC墙结构静力性能有限元分析 1761· (al) (a2) (a3) 应力Pa 损伤因子 损伤因子 4.711×10 4.36x10 9113×10 9.309×10 &.354x10 8533x101 3,9Mx 704×10 7.757x10 5.585×10 6.982×10 30×10 75x10 2.834×10 5316x10 206x10 43010 458×10 4.557x10 2.0%2×1U 3.797×10 3.879×10 1.77×10 3038×10 3103×1 1331×1 227R×103 7y7￥10 )557￥10 1519×10 1351×10- 802x10 7.594×10 .757×10 2.046x10 2) b3) 应力Pa 损伤因子 55×0 损伤因子 7896×10 ■ 9.611×10 7238×10 8.81x10T 405xl0 6.580×10 .265×10 5.922x101 8.009x10 7.208x10 114×10 5364 4n70 .948x10 037 805×10 290x10 .63510 2532x10 204×0 4.213×10 1g74×10 nxior 283×10 1316×10 60210 40×10 6580×10 .668x10 2 (cl) (c2) (c3) 应力Pa 损伤因子 损伤因子 400x10 2200x10 9.611× .601×10 1.2×1 801￥10 5210 417×10 )024×10m 2561×10 图12竖向组合式模型混凝土板Mise应力分布和变形以及损伤分布图.(al~cl)应力分布及变形：(2~c2)受压损伤：(a3~3)受拉 损伤 Fig.12 Mises stress distribution,deformation and damage distribution of RC wall with vertical combined model:(al-cl)stress distribution and de- formation:(a2-c2)compressive failure:(a3-c3)tensile failure a c 接触压强/Pa 接触压强Pa 接触压强/Pa 2.236×10 9.350x10 1.103×107 2.050x10P 8.571×10p 9.286×10㎡ 1.863x10P 7.792×10 8.442×10㎡ .677×10 7.013x109 7.598×10 1.491×10 6.233x10 6.754x10m 1.306×10 5.454×10 5.910x10㎡ 1.118x105 4.675x10P 5.065×10 9.317×10 3.896x10p 4.221×10 7.454x10 3.117×10 3.377×10 5.590x105 2.338×109 2.533×10 3.727×10 1.558×10 1.688×10 1.863×10 7.792×105 8.442x10 0 0 图13竖向组合式模型混凝土板接触应力图.(a)刚度变化点a:(b)刚度变化点b:(c)最大加载位移点c Fig.13 Contact stress of vertical combined RC wall model:(a)stiffness change point a:(b)stiffness change point b:(c)maximum loading dis- placement point c

牟在根等: 组合式钢框架内填预制 ＲC 墙结构静力性能有限元分析 图 12 竖向组合式模型混凝土板 Mise 应力分布和变形以及损伤分布图 . ( a1 ～ c1) 应力分布及变形; ( a2 ～ c2) 受压损伤; ( a3 ～ c3) 受拉 损伤 Fig． 12 Mises stress distribution，deformation and damage distribution of ＲC wall with vertical combined model: ( a1--c1) stress distribution and de￾formation; ( a2--c2) compressive failure; ( a3--c3) tensile failure 图 13 竖向组合式模型混凝土板接触应力图 . ( a) 刚度变化点 a; ( b) 刚度变化点 b; ( c) 最大加载位移点 c Fig． 13 Contact stress of vertical combined ＲC wall model: ( a) stiffness change point a; ( b) stiffness change point b; ( c) maximum loading dis￾placement point c · 1671 ·

·1762· 工程科学学报，第39卷，第11期 4000 力分布与变形(al,a2),受压损伤(bl,b2)和受拉损 3500 伤(cl,c2)情况，其中(al)~(cl)为板在对应屈服 3000 点时刻，而(a2)~(2)为相应的在最大位移时刻的 2500 情形. 2000 从板的应力分布和变形情况可以看到，两层板的 1500 应力均集中于上半层的右下角和下半层的左上角，随 基础模型 1000 着位移增大，这些部位应力增大并且向板内部扩展，最 全摆栓模型 500 竖向组合模型 终在各半层板中形成对角挤压的效果，这一点从其受 压损伤情况也可以看到.如图(b1)所示，在对应屈服 10 20 3040506070 位移mm 点时刻，板的受压损伤集中在上下半层板靠近钢柱的 地方，最后达到最大位移时(b2)其受压损伤区域转移 图14横向组合式模型荷载位移曲线 Fig.14 Displacement-oad curves of horizontal combined model 到各半层板的左上和右下角以及二层下半层板的下 (a) b) 应力Pa 应力Pa ■2.350x10 2.350x10 2.154×10㎡ 2.155×10 1.959×10 1.960x10 1.763×10 -1.764×10 1.567×10 1.569x10 1.372×10° 1.374x10 1.176×10° 1.179x10 9.805x10 9.833×107 7848x10 7,880×107 5.892x10 5.927×10 3.935×10 3.975×10 1.979×10 2.022×10 2.204×10 6.919x10 图15横向组合式模型钢框架Mss应力分布和变形图.(a)结构达到屈服点：(b)加载位移达到最大 Fig.15 Mises stress and deformation of steel frame with horizontal combined model:(a)the structure reaches the yield point;(b)the structure rea- ches the maximum load displacement 部，但是整体上看，该模型混凝土板受压损伤的面积远 的屈服点，这与其混凝土板的受拉破坏有关.全螺栓 小于竖向组合式模型和全螺栓模型等. 模型的最大承载力和三边螺栓模型相比有了较为明 因此可以认为其混凝土板的抗压能力没有充分利 显的提高，这得益于全螺栓模型中更有效和更加合 用，这也是其承载力较其它两个模型较小的原因.从 理均匀的传力路径.全螺栓模型可以使更多区域的 混凝土板的受拉损伤来看，在对应屈服点的时刻 混凝土板参与受力过程中，其利用率得到了提高，这 (c1),其损伤区域主要集中在上半板的左侧和下半板 也是其具有更大承载力的重要原因，而且全螺栓模 的右侧：在达到最大加载位移时刻(2)，受拉损伤的 型中使用了较多的钢板连接，其结构的延性更为 区域逐渐转移到一二层上半板的上边和二层下半板的 理想 下边，但是和竖向组合式模型相比，其损伤区域远远小 (2)竖向组合式模型具有较好的初始刚度和整 于后者.横向组合式模型不能有效地将力从钢框架传 体承载力，在两块板之间也主要依靠挤压有效地进 递到混凝土板中，因此其板损伤较小，应力分布不均 行了力的传递，在钢框架与混凝土板之间的传力上 匀，使之承载力小于前者 和全螺栓模型基本类似.总体来说，竖向组合式模型 具有和全螺栓模型近似的受力性能，而且还具有方 5结论 便运输与安装的优点，因此建议优先采用竖向组合 本文通过对组合式钢框架内填预制RC墙结构进 连接方式 行了受力性能分析，可以得到以下结论： (3)横向组合式模型受力性能较差，初始刚度和 (1)全螺栓和三边螺栓模型同样具有较为明显 最终承载力均小于竖向组合式模型.由于上下两个板

工程科学学报，第 39 卷，第 11 期 图 14 横向组合式模型荷载位移曲线 Fig． 14 Displacement-load curves of horizontal combined model 力分布与变形( a1，a2) ，受压损伤( b1，b2) 和受拉损 伤( c1，c2) 情况，其中( a1) ～ ( c1) 为板在对应屈服 点时刻，而( a2) ～ ( c2) 为相应的在最大位移时刻的 情形． 从板的应力分布和变形情况可以看到，两层板的 应力均集中于上半层的右下角和下半层的左上角，随 着位移增大，这些部位应力增大并且向板内部扩展，最 终在各半层板中形成对角挤压的效果，这一点从其受 压损伤情况也可以看到． 如图( b1) 所示，在对应屈服 点时刻，板的受压损伤集中在上下半层板靠近钢柱的 地方，最后达到最大位移时( b2) 其受压损伤区域转移 到各半层板的左上和右下角以及二层下半层板的下 图 15 横向组合式模型钢框架 Mises 应力分布和变形图 . ( a) 结构达到屈服点; ( b) 加载位移达到最大 Fig． 15 Mises stress and deformation of steel frame with horizontal combined model: ( a) the structure reaches the yield point; ( b) the structure rea￾ches the maximum load displacement 部，但是整体上看，该模型混凝土板受压损伤的面积远 小于竖向组合式模型和全螺栓模型等． 因此可以认为其混凝土板的抗压能力没有充分利 用，这也是其承载力较其它两个模型较小的原因． 从 混凝土 板 的 受 拉 损 伤 来 看，在 对 应 屈 服 点 的 时 刻 ( c1) ，其损伤区域主要集中在上半板的左侧和下半板 的右侧; 在达到最大加载位移时刻( c2) ，受拉损伤的 区域逐渐转移到一二层上半板的上边和二层下半板的 下边，但是和竖向组合式模型相比，其损伤区域远远小 于后者． 横向组合式模型不能有效地将力从钢框架传 递到混凝土板中，因此其板损伤较小，应力分布不均 匀，使之承载力小于前者． 5 结论 本文通过对组合式钢框架内填预制 ＲC 墙结构进 行了受力性能分析，可以得到以下结论: ( 1) 全螺栓和三边螺栓模型同样具有较为明显 的屈服点，这与其混凝土板的受拉破坏有关． 全螺栓 模型的最大承载力和三边螺栓模型相比有了较为明 显的提高，这得益于全螺栓模型中更有效和更加合 理均匀的传力路径． 全螺栓模型可以使更多区域的 混凝土板参与受力过程中，其利用率得到了提高，这 也是其具有更大承载力的重要原因，而且全螺栓模 型中使 用 了 较 多 的 钢 板 连 接，其 结 构 的 延 性 更 为 理想． ( 2) 竖向组合式模型具有较好的初始刚度和整 体承载力，在两块板之间也主要依靠挤压有效地进 行了力的传递，在钢框架与混凝土板之间的传力上 和全螺栓模型基本类似． 总体来说，竖向组合式模型 具有和全螺栓模型近似的受力性能，而且还具有方 便运输与安装的优点，因此建议优先采用竖向组合 连接方式． ( 3) 横向组合式模型受力性能较差，初始刚度和 最终承载力均小于竖向组合式模型． 由于上下两个板 · 2671 ·