1、1新型低剪力墙非线性有限元分析与试验研究摘要：针对传统低剪力墙延性的不足，提出了一种改进方案.为了准确把握新型配筋方案的优势，共完成了两片低剪力墙的低周反复加载试验，考察了它们在往复荷载作用下的极限承载力性能、滞回特性、延性以及破坏特征等.以试验研究为基础，采用 ABAQUS 有限元分析软件，对比分析了 4 种不同配筋形式低剪力墙的非线性性能，并对新型低剪力墙竖缝的开设位置进行了研究.试验结果与有限元分析表明：设置钢筋暗支撑、开缝及设置钢板的方式均可改善传统低剪力墙的延性及变形性能；与带暗支撑低剪力墙相比，新型低剪力墙的变形能力及耗能能力提高显著，抗震性能更好，且具有明显的多道抗震防线. 关键
2、词：结构工程；内藏钢板钢筋暗支撑混凝土组合低剪力墙；有限元分析；低周反复加载试验 中图分类号：TU375 文献标识码：A 低剪力墙一般指剪跨比小于 1 的剪力墙，常用于多层底部框剪结构和高层底部大空间结构.研究表明1，低剪力墙以脆性的剪切破坏为主，延性和耗能能力较差，在地震作用下其破坏性极大，甚至造成建筑物的整体倒塌.为了改善低剪力墙抗震性能，国内外研究者先后提出了设置钢筋暗支撑钢筋混凝土低剪力墙2、内置钢板钢筋混凝土剪力墙3-4及双钢板混凝土组合剪力墙5-7等新型组合剪力墙，并对其进行了抗震性能试验与理论研究.研究结果表明，这些新型剪力墙的性能较普通钢筋混2凝土低剪力墙有所改善，但设置钢筋暗
3、支撑钢筋混凝土低剪力墙仍无法改变其剪切破坏模式，内置钢板钢筋混凝土剪力墙当钢板太薄时仍可能局部屈曲.为此，笔者发明了内藏钢板钢筋暗支撑混凝土组合低剪力墙8，该剪力墙中配置了钢板及钢筋暗支撑，并进行了开缝处理.本文通过低周反复加载试验，研究了这种新型低剪力墙的抗震性能，并在试验研究的基础上，采用 ABAQUS 软件，进一步探讨了其性能优势. 1.3 加载方案 本试验采用低周反复加载方式，试验时首先施加 501 kN 的竖向荷载，使其轴压比为 0.2，并在试验过程中保持不变.水平荷载由液压加载装置控制，加载点位于试件顶梁一端.竖向荷载由竖向油压千斤顶提供，千斤顶上方放置力传感器，以便于在加载中控制
4、竖向荷载不变.水平荷载加载过程采用力位移双控制法9-10：试件在弹性阶段按照力控制分成 3 级加载，每级荷载循环 1 次；当试件顶点水平力位移曲线出现明显转折后，采用位移控制逐级加载，每级位移增量取 3 mm，每级荷载循环 2 次. 2 试验结果及分析 2.1 破坏过程和破坏形态 1）对未开缝的低剪力墙（LSW） ，当达到开裂荷载时，边框柱底部首先出现水平裂缝并随着荷载的增加向腹板斜向延伸.进一步加载，腹板出现多条对角剪切斜裂缝，同时边框柱上产生多条水平裂缝.随着荷载的逐渐增大，原有裂缝加长贯通，形成多条贯穿腹板的剪切斜裂缝，裂缝相互交叉成网状将腹板分割成多个小块.最终破坏时腹板角部混凝土剥落
5、，边框柱底部混凝土被压溃，构件属于弯剪破坏. 32）对开缝的低剪力墙（NLSW） ，裂缝首先沿竖向通缝的两侧出现.随着荷载的增加，在竖缝两侧剪力墙腹板出现斜裂缝，边框柱出现水平裂缝，两竖缝之间的内置钢板剪力墙基本未出现裂缝.随着荷载进一步增加，竖缝两侧剪力墙出现多条交叉斜裂缝并不断延伸，两侧边框柱出现多条水平裂缝，中间腹板开始出现斜裂缝.最终破坏时，竖缝两侧剪力墙布满交叉斜裂缝，且裂缝宽度增加明显，与斜裂缝相交的横向钢筋已屈服，两边框柱角部混凝土被压溃，但两竖缝之间剪力墙仍保持较好的完整性，构件破坏属于弯曲破坏. 2.2 滞回特性分析及骨架曲线 3 低剪力墙有限元模型的建立 采用有限元分析软件
6、 ABAQUS 对剪力墙试件进行数值模拟.建模过程中，钢筋采用 2 节点三维杆单元 T3D2，钢板和型钢采用 4 节点减缩积分格式的壳单元 S4R，混凝土采用 8 节点线性减缩积分三维实体单元 C3D8R.钢筋和钢板通过 EMBEDDED ELEMENT 命令嵌入到整个混凝土主体单元中，假定钢筋、钢板和混凝土之间粘结良好，相互之间变形连续. 本文有限元模型中的钢材，采用服从相关流动法则的塑性模型，其在多轴应力状态下满足 von Mises 屈服准则.模型中的钢筋，采用随动硬化模型，在设置材料属性时，按照规定使用真实应力和塑性应变.同时采用塑性损伤模型来模拟混凝土在往复荷载作用下的力学性能，即用
7、反复应力作用下混凝土刚度的线性损伤，结合拉伸、压缩应力状态下的塑性性能来描述混凝土的非线性行为.对于模型中混凝土损伤塑性本构关系及损伤因子的计算，参见文献11. 44 数值模拟结果及对比分析 对建立的 2 片低剪力墙有限元模型进行单向推覆分析计算，得到了墙体基地剪力顶点位移关系曲线，与试验得到的墙体骨架曲线对比示意图如图 9 所示.由图 9 可见，计算的曲线与试验曲线吻合较好.试件从初始弹性到明显屈服过程中刚度的衰减较数值模拟结果稍快，产生这种差异的原因：一是试验与计算加载方式不同（低周反复荷载下结构刚度衰减比单向加载情况快） ，二是计算模型建立总是与实际情况有些差异. 5 不同配筋形式低剪力
8、墙的模拟分析 从图 11 可以看出，设置斜向钢筋暗支撑可提高普通低剪力墙的承载力及变形能力，但改善幅度没有新型低剪力墙显著；采用新型配筋及开缝方式处理的新型低剪力墙可较好地解决普通低剪力墙变形能力及延性不足的问题，同时保证其承载力不被削弱，延缓结构的开裂，并且在荷载作用下，屈服后可继续承载能力的富余度较大；以钢筋暗支撑替换新型低剪力墙中的钢板，虽然也可以较好地解决普通低剪力墙变形能力及延性不足的问题，但却是以降低较多的承载力为代价，不利于结构的抗震. 7 结论 1）与传统带暗支撑低剪力墙相比，新型低剪力墙的变形能力及耗能能力显著提高，具有良好的承载力，滞回环更饱满，抗震性能更好. 2）传统的带
9、暗支撑低剪力墙以脆性的剪切破坏为主，相比之下，新型低剪力墙为延性较好的弯曲破坏，破坏主要集中在剪力墙的竖缝两侧，竖缝之间剪力墙破坏轻微，破坏模式更合理，而且由于竖缝之间剪力墙5在竖缝两侧剪力墙破坏后仍具有较高的承载力，因此形成了明确的两道抗震防线，可以满足“大震不倒”的要求. 3）传统的不带暗支撑低剪力墙的延性极差，可以通过设置钢筋暗支撑、开缝及设置钢板的方式来改善其延性，其中以新型配筋方式收到的效果最为显著.若以钢筋暗支撑替换新型低剪力墙中的内藏钢板，也可较好地改善传统的不带暗支撑低剪力墙变形能力及延性不足的问题，但却是以降低较多承载力为代价，显然这种处理方式存在不妥之处. 4）新型低剪力墙
10、具有明显的多重抗震防线，调节竖缝之间剪力墙的宽度，可以得到不同承载力及延性性能的低剪力墙，满足不同的需求. 参考文献 1邵武，钱国芳，童岳生.钢筋混凝土低矮抗震墙试验研究J.西安建筑科技大学学报：自然科学版，1989， 21（3）：15-23. 2曹万林，田宝发，王洪星，等.钢筋混凝土带暗支撑双功能剪力墙的力学计算模型J.地震工程与工程振动，2001， 21（2）：84-88. 3李国强，张晓光，沈祖炎.钢板外包混凝土剪力墙板抗剪滞回性能试验研究J.工业建筑，1995， 25（6）：32-35. 4吕西林，干淳洁，王威.内置钢板钢筋混凝土剪力墙抗震性能研究J.建筑结构学报，2009， 30（5
11、）：89-96. 5LINK R A， ELWI A E. Composite concretesteel plate walls： analysis and behavior J. Journal of Structural Engineering， 1995，121（2）： 260-271. 6EMORI K. Compressive and shear strength of concrete 6filled steel box wall J. Journal of Steel Structures，2002，68（2）： 29-40. 7聂建国，卜凡民，樊健生.低剪跨比双钢板混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究J.建筑结构学报，2011， 32（11）：74-81. 8汪梦甫，宋兴禹，陈文龙.内藏钢板钢筋暗支撑耗能低剪力墙结构体系：中国，ZL201220022614.6P.2012-11-07. 9JGJ 1011996 建筑抗震试验方法规程S.北京：中国建筑工业出版社，1996. 10宋兴禹，汪梦甫.高阻尼混凝土混合暗支撑双肢剪力墙试验研究J.湖南大学学报：自然科学版，2013， 40（4）：15-19. 11梁兴文，钱磊，谭丽娜.基于 ABAQUS 的混凝土损伤塑性本构关系研究C/第八届全国地震工程学术会议论文集（II）.重庆：重庆大学期刊社，2010.
