沈银澜等：正交胶合木填充墙-钢框架体系受力性能 157· 表1传统填充墙材料与正交胶合木墙板的性能比较 Table 1 Properties comparison of the conventional infill wall material and CLT wall 材料 密度/(kgm3) 热阻/(m2.K.W-1) 墙体厚度/mm 抗压强度/MPa 弹性模量/MPa 强重比 页岩模数多孔砖[4 1200 0.800 90 6.27 13060 0.533 轻型混凝土填充培[) 2000 0.613 90 27 32000 1.38 正交胶合木墙板 500 8.333 93 11.8 7700 2.41 生土填充墙[6 2200 0.700 150 4 55.77 0.186 0.6Wm1.K,相比钢材(23~25Wm1.K)和混 分析角度研究这种新材料的填充墙结构的抗震性能以 凝土(0.6一1.6Wm1.K1)较低-：在火灾中木材 及协同性能 表面形成炭火层，起到隔热阻燃的作用，由于正交胶合 正交胶合木填充墙板采用平面应力的Quad(四 木是重型木材，具有较长的耐火极限和较好的抗火性 节点)单元，其材料参数如表3所示：引入接触单元，采 能]，此外也可以在其表面涂阻燃剂等加以改善 用本构理想弹塑性间隙材料(elastic perfectly plastic 以上的分析表明，正交胶合木是一种装配高效、实 gap material)来考虑基础与墙板底部端点的摩擦力和 用和生态的建筑材料，为填充墙材料提供了可能. 接触效应：金属连接件采用两节点连接(wo-node link) 2有限元模型 单元，每一个连接A简化成基于Pinching4模型的两个 正交弹簧单元来模拟水平滑动和竖向的上下运动.该 钢框架与正交胶合木填充墙之间的连接，采用文 模型已在文献[11]正交胶合木墙板模拟中取得良好 献[11]所述的连接A.文献[11]已经证实基于校正的 的模拟效果，其模拟参数来自文献[11].钢框架的钢 连接模型预测正交胶合木墙体试验结果的有效性.本 材为Q235钢，采用基于柔度法的非线性梁柱(nonlin- 文基于其模拟方法和参数[-]（见表2所示）进一步 ear beam column)单元进行模拟，材料本构采用多线型 建立起正交胶合木填充墙的钢框架单元模型，从数值 的滞回材料(hysteresis material)定义. 表2连接A重要力学参数-2] Table 2 Key mechanical parameters of bracket connection A 类型 加载模式 K/(kN.mm-1) Fyic/kN Fpmak/kN F/kN Diela/mm Doa/mm D/mm 单调加载 4.7 49.1 52 41.6 10.4 21 32.3 顺纹 滞回加载 9.1 44.6 48.9 39.1 4.9 20 30 单调加载 5.1 46.6 51.9 41.6 9.1 37 58.2 横纹 滞回加载 5.1 41.5 46.7 37.4 8.1 24 39.2 注：K一初始刚度：F,山一屈服荷载：D,u一屈服位移；F一蜂值荷载；D一蜂值荷载对应位移；F。一失效荷载：D。一失效位移 表3正交胶合木填充墙材料参数 设计的填充墙和钢框架之间留有20mm的缝隙，填充 Table 3 Material parameters of the CLT wall 墙与钢框架之间的连接A的连接间距在700~900mm CLT培板性能参数 性能指标 范围之间，梁上平均分布十个金属连接件，柱上平均分 单层板顺纹弹性模量，Eo/MPa 8300 布五个金属连接件，连接件在图中以红色弹簧标出，黑 单层板横纹弹性模量，Eo/MPa 6500 色符号表示墙体与钢框架之间的接触，如图3(b) 平均弹性模量，E/MPa 7700 所示. 单层板顺纹抗压强度，Fco/MPa 15.1 3受力分析 单层板横纹抗压强度，Fcoo/MPa 5.2 三层平均抗压强度，Fe/MPa 11.8 本文对纯钢框架模型和正交胶合木填充墙的框架 泊松比 0.46 模型在柱端施加0.4N,柱端竖向力(N,为柱截面的屈 服承载力)情况下进行水平推覆和往返推覆模拟 该框架单元为单跨两层，结构构件采用焊接日型 分析. 钢，柱截面尺寸为H400×400×12×20,梁截面尺寸为 3.1骨架曲线与耗能分析 H450×300×12×16.其算例尺寸如图3(a)所示. 正交胶合木填充墙基本试件和纯钢框架在倒三角 采用文献[11]的同一性能的正交胶合木墙板作 推覆力下获得的荷载-位移曲线如图4所示.对比发 为填充墙，其抗压强度11.8MPa,弹性模量7700MPa, 现：在单调加载作用下，正交胶合木填充墙大大提高钢沈银澜等: 正交胶合木填充墙鄄鄄钢框架体系受力性能 表 1 传统填充墙材料与正交胶合木墙板的性能比较 Table 1 Properties comparison of the conventional infill wall material and CLT wall 材料 密度/ (kg·m - 3 ) 热阻/ (m 2·K·W - 1 ) 墙体厚度/ mm 抗压强度/ MPa 弹性模量/ MPa 强重比 页岩模数多孔砖[4] 1200 0郾 800 90 6郾 27 13060 0郾 533 轻型混凝土填充墙[5] 2000 0郾 613 90 27 32000 1郾 38 正交胶合木墙板 500 8郾 333 93 11郾 8 7700 2郾 41 生土填充墙[6] 2200 0郾 700 150 4 55郾 77 0郾 186 0郾 6 W·m - 1·K - 1 ,相比钢材(23 ~ 25 W·m - 1·K - 1 )和混 凝土(0郾 6 ~ 1郾 6 W·m - 1·K - 1 )较低[7鄄鄄9] ;在火灾中木材 表面形成炭火层,起到隔热阻燃的作用,由于正交胶合 木是重型木材,具有较长的耐火极限和较好的抗火性 能[10] ,此外也可以在其表面涂阻燃剂等加以改善. 以上的分析表明,正交胶合木是一种装配高效、实 用和生态的建筑材料,为填充墙材料提供了可能. 2 有限元模型 钢框架与正交胶合木填充墙之间的连接,采用文 献[11]所述的连接 A. 文献[11]已经证实基于校正的 连接模型预测正交胶合木墙体试验结果的有效性. 本 文基于其模拟方法和参数[11鄄鄄12] (见表 2 所示) 进一步 建立起正交胶合木填充墙的钢框架单元模型,从数值 分析角度研究这种新材料的填充墙结构的抗震性能以 及协同性能. 正交胶合木填充墙板采用平面应力的 Quad (四 节点)单元,其材料参数如表 3 所示;引入接触单元,采 用本构理想弹塑性间隙材料( elastic perfectly plastic gap material)来考虑基础与墙板底部端点的摩擦力和 接触效应;金属连接件采用两节点连接(two鄄node link) 单元,每一个连接 A 简化成基于 Pinching4 模型的两个 正交弹簧单元来模拟水平滑动和竖向的上下运动. 该 模型已在文献[11] 正交胶合木墙板模拟中取得良好 的模拟效果,其模拟参数来自文献[11]. 钢框架的钢 材为 Q235 钢,采用基于柔度法的非线性梁柱( nonlin鄄 ear beam column)单元进行模拟,材料本构采用多线型 的滞回材料(hysteresis material)定义. 表 2 连接 A 重要力学参数[11鄄鄄12] Table 2 Key mechanical parameters of bracket connection A 类型 加载模式 Ke / (kN·mm - 1 ) Fyield / kN Fpeak / kN Fu / kN Dyield / mm Dpeak / mm Du / mm 顺纹 单调加载 4郾 7 49郾 1 52 41郾 6 10郾 4 21 32郾 3 滞回加载 9郾 1 44郾 6 48郾 9 39郾 1 4郾 9 20 30 横纹 单调加载 5郾 1 46郾 6 51郾 9 41郾 6 9郾 1 37 58郾 2 滞回加载 5郾 1 41郾 5 46郾 7 37郾 4 8郾 1 24 39郾 2 注:Ke—初始刚度;Fyield—屈服荷载;Dyield—屈服位移;Fpeak—峰值荷载;Dpeak—峰值荷载对应位移;Fu—失效荷载;Du—失效位移 表 3 正交胶合木填充墙材料参数 Table 3 Material parameters of the CLT wall CLT 墙板性能参数 性能指标 单层板顺纹弹性模量,E0 / MPa 8300 单层板横纹弹性模量,E90 / MPa 6500 平均弹性模量,E / MPa 7700 单层板顺纹抗压强度,Fc0 / MPa 15郾 1 单层板横纹抗压强度,Fc90 / MPa 5郾 2 三层平均抗压强度,Fc / MPa 11郾 8 泊松比 0郾 46 该框架单元为单跨两层,结构构件采用焊接 H 型 钢,柱截面尺寸为 H400 伊 400 伊 12 伊 20,梁截面尺寸为 H450 伊 300 伊 12 伊 16. 其算例尺寸如图 3(a)所示. 采用文献[11] 的同一性能的正交胶合木墙板作 为填充墙,其抗压强度 11郾 8 MPa,弹性模量 7700 MPa, 设计的填充墙和钢框架之间留有 20 mm 的缝隙,填充 墙与钢框架之间的连接 A 的连接间距在 700 ~ 900 mm 范围之间,梁上平均分布十个金属连接件,柱上平均分 布五个金属连接件,连接件在图中以红色弹簧标出,黑 色符号表示墙体与钢框架之间的接触,如图 3 ( b) 所示. 3 受力分析 本文对纯钢框架模型和正交胶合木填充墙的框架 模型在柱端施加 0郾 4Ny柱端竖向力(Ny为柱截面的屈 服承载力) 情况下进行水平推 覆 和 往 返 推 覆 模 拟 分析. 3郾 1 骨架曲线与耗能分析 正交胶合木填充墙基本试件和纯钢框架在倒三角 推覆力下获得的荷载鄄鄄位移曲线如图 4 所示. 对比发 现:在单调加载作用下,正交胶合木填充墙大大提高钢 ·157·