1、临界肢长比型钢混凝土剪力墙受力性能研究摘要：基于临界破坏时数值模拟应力分布，深入分析了临界肢长比L 形截面型钢混凝土剪力墙的承载能力、延性和滞回性能等受力性能，为实际工程应用设计提供参考。 关键词：临界破坏；型钢混凝土；数值模拟 Abstract: the critical failure stress distribution based on numerical simulation, the critical limb longer than the L shaped steel reinforced concrete shear wall, bearing capacity, duct
2、ility and hysteretic performance stress performance analysis, provide a reference for practical engineering application design. Keywords: critical failure; steel reinforced concrete; numerical simulation 中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：2095-2104(2013) 1.引言 一般来说，当剪力墙的截面厚度不大于 300mm，各肢截面高度与厚度之比的最大值大于 4 但不大于 8
3、时为短肢剪力墙，不在此范围的剪力墙则为普通剪力墙1。当剪力墙的墙肢高厚比大于 7.5 但小于 8.5 时，可将此类剪力墙定义为临界肢长剪力墙。临界肢长剪力墙肢长较短，布置方便，能够减轻结构自重，降低成本，因此被广泛应用于高层建筑中，它可以使室内方正合理，但是对其的研究一直是工程先于理论，限制了其使用，其受力性能的优劣仍然存在争议。尤其是对于 L 形临界肢长比剪力墙本身的不对称性，使之较一字形、T 形临界肢长比型钢混凝土剪力墙更为复杂。本文采用非线性有限元软件 ANSYS 数值模拟对 L 形临界肢长比型钢混凝土剪力墙结构在单调及循环荷载作用下的受力性能进行了系统研究。 2.建立有限元分析模型 2
4、.1 试件设计 根据高层混凝土结构技术规程1的规定及常见的工程实例，进行了临界肢长比型钢混凝土剪力墙试件的设计。试件的 H 型钢材料选用Q345 钢，弹性模量 Es=206000Pa，泊松比 0.3。混凝土强度为 C40，抗压强度设计值为 19.1MPa，抗拉强度设计值为 1.71MPa，泊松比 0.2。剪力墙截面尺寸为 300mm2400mm，高 2800mm。墙顶施加了轴力向压力3.82N/mm2，形成 0.2 轴压比。 型钢混凝土组合结构技术规程28.2.2 条规定：钢筋混凝土剪力墙端部配置的型钢，其混凝土保护层厚度宜大于 50mm；水平分布钢筋应绕过或穿过墙端型钢，并满足锚固长度要求。
5、根据该条规定，本文选用的 H 型钢尺寸为 150150710mm，保护层厚度为 75mm，满足规范要求。为了保证剪力墙面外稳定性，型钢的摆放方式为强轴与剪力墙长度方向平行。墙体的纵向分布钢筋为 14150，配筋率为 0.68%，水平分布筋为 14150，配筋率为 0.68%。在计算暗柱体积配筋率和端部暗柱含钢量时假定暗柱面积取 bh=300300mm。试件在剪力墙端部暗柱设置纵向受力钢筋配筋率为 1.3%，箍筋体积配筋率为1.0%，暗柱含钢率为 4.5%。 2.2 有限元模型的建立 2.2.1 材料模型和网格划分 （1）材料模型 混凝土的应力应变关系采用 Rsch H3建议的模型，公式如下。如
6、图 1 所示。 当时， （3.1） 当时， （3.2） 图 1 混凝土应力应变关系 图 2 型钢应力应变关系图 3 钢筋应力应变关系 型钢的应力应变关系采用双折线的随动强化模型，曲线如图 2 所示。钢筋采用的模型为描述完全弹塑性的双直线模型，曲线如图 3 所示。当时， （3.3） 当时， （3.4） 式中： 为钢筋强度设计值； 、分别为钢筋屈服应变和强化起点应变；为钢筋弹性模量。 （2）网格划分 采用扫略单元网格划分方式，人为控制网格划分的精度。为了合理地模拟计算型钢混凝土剪力墙结构受力性能，同时不增加计算时间，划分单元时对受力和塑性变形相对较大的区域进行网格局部调整，单元各方向尺寸比控制在
7、5 以内，这样就能很好的模拟计算构件的复杂应力。试件中考虑到模型最小尺寸、收敛计算、计算时间等因素将单元尺寸定义为 50mm。 2.2.2 边界条件、加载方案和求解设置 （1）边界条件 在模型中约束了剪力墙底部结点所有方向的自由度，即假定墙底与地面为理想刚接，并在墙顶端施加位移荷载。此外在墙顶施加了轴力向压力 3.82kN/mm2，形成 0.2 轴压比。水平荷载施加在剪力墙的顶部，对应的墙顶面所有结点进行方向位移耦合，此时程序产生一个主结点，外力以位移的方式施加于位移端面的主结点上，逐步增大直到模型不能承载为止。在剪力墙的顶端施加单调和循环位移荷载。 （2）加载方案 加载方案采用下面方法：先得
8、到型钢混凝土短肢剪力墙在单向加载时的受力反应，根据单向荷载作用下的荷载位移曲线，采用“通用屈服弯矩法”计算屈服位移 y 和屈服荷载 Py。循环加载按y/4、y/2、y、3y/2、2y、3y、4y的方式进行，每级位移循环一次，直至试件破坏。 （3）求解设置 ANSYS 通过各类求解器，求解由有限元方法建立的联立方程组，其结果是得到结点的自由度解，并进一步得到单元解。采用直接消去法（Sparse）求解器，该方法特别适用于要求稳定性和求解速度的非线性分析。求解时打开大变形效应（NLGEOM，ON） ，以考虑 P- 效应的影响。采用全牛顿拉普森方法（Full Newton Raphson Method
9、）进行非线性迭代求解，其不但克服了纯增量求解方法所引起的误差积累问题，而且计算速度快。 3 计算结果与分析 3.1 试件特征点及延性分析 通过非线性有限元软件 ANSYS 对 L 形临界肢长比型钢混凝土剪力墙结构模拟，处理数据如表 1 所示。从表中可以看出，单调荷载作用下试件的开裂、屈服和极限荷载都比较大，转角也在规范规定范围内，延性较好。在水平位移循环荷载作用下，首先在加载端剪力墙底部 表 1 试件特征点及延性 出现弯曲裂缝，然后在加载墙肢自下而上地出现多条水平的弯曲裂缝，当加载墙肢型钢受拉屈服，墙底形成塑性铰后，墙顶侧向变形很快增长而承载力变化很小，结构延性较好，最后，墙的底部因正、反塑性
10、铰的往复变形，混凝土受压破坏，呈弯曲型破坏形态。 3.2 Von Mises 等效应力分析 （1）混凝土 Von Mises 等效应力分析 在单调和循环荷载作用下混凝土 Von Mises 等效应力分布如图 4 和5 所示。单调荷载作用下 Mises 等效应力主要分布在加载墙肢，几乎充满整个加载墙肢，在非加载墙肢暗柱底部等效应力也比较大，混凝土 Mises等效应力发展很充分；循环荷载作用下 Mises 等效应力主要分布在加载墙肢暗柱底部，等效应力最大为 17.0MPa，加载端混凝土等效应力发展比较充分，在两墙肢交接处出现应力集中。 图 4 单调荷载的应力分布 图 5 循环荷载的应力分布 （2）
11、型钢 Von Mises 等效应力分析 图 6 单调荷载的应力分布 图 7 循环荷载的应力分布 在单调和循环荷载作用下型钢 Von Mises 等效应力分布如图 6 和 7所示。单调荷载作用下型钢 Von Mises 等效应力最大值为 359MPa，超过型钢材料屈服强度 ，进入屈服阶段，加载端型钢屈服高度约为 700mm，非加载端型钢等效应力较小；循环荷载作用下型钢 Von Mises 等效应力最大值为 320MPa，加载端型钢高度约为 300mm 进入屈服阶段，非加载端型钢等效应力较小。不管是单调荷载作用下还是循环荷载作用下型钢塑性变形发展还不够充分，还可以继续承载结构荷载。 3.3 试件的
12、滞回曲线分析 图 4.8 为试件在水平位移循环荷载作用下的滞回曲线。试件在水平位移循环荷载作用下的滞回曲线比较饱满圆滑，循环加载位移达到20mm，极限荷载为 2500kN，整个加载过程可以分为加载曲线和卸载曲线，每一次加载过程中，曲线的斜率随荷载的增大而减小，且减小的程度加快，比较各次同向加载曲线，后次曲线比前次的斜率逐渐减小，说明了循环荷载下构件的刚度退化；在卸载过程中，刚开始卸载时曲线陡峭，恢复变形很小，卸载减小后曲线趋向平缓，恢复变形逐渐加快，称为恢复变形滞后现象，曲线的斜率随循环加载次数而减小，表明构件卸载刚度的退化，全部卸载后，构件留有残余变形，其值随循环卸载次数不断地积累增大。 图
13、 4.8 试件的滞回曲线 4 结论 本文得出以下主要结论和设计建议，为工程实践提供参考： 1）型钢混凝土剪力墙结构在荷载作用下承载力较大，型钢、混凝土和钢筋三种材料结合的较好，并能充分发挥各自的受力性能。 2）对于 L 形截面，建议各层临界肢长比型钢混凝土剪力墙在结构荷载作用下应加强墙肢底端部结构设计和构造措施，以保证墙肢底端部过早出现弯曲破坏。 3）对于 L 形截面，建议各层临界肢长比型钢混凝土剪力墙结构在两墙肢交接处应设置暗柱，以保证剪力墙结构刚度和两墙肢交接处首先出现破坏，提高剪力墙结构承载能力和延性。 参考文献 1JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程S. 2型钢混凝土组合结构技术规程（JGJ138-2001、J218-2002）M.中国建筑工业出版社. 3Rsch H. Research Toward a General Flexural Theory for Structural Concrete.ACI,July 1960.128. 4程晓杰、台运超.临界肢长比剪力墙抗震性能分析J.合肥工业大学学报，2012,35(6):799-803.
