張 俊 英

(中國(guó)中建設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司山西分公司，山西 太原 030006)

y=αax+(3-2αa)x2+(αa-2)x3。

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y=1.2x+0.2x6。

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暗支撐“一”字形短肢剪力墻非線性分析

張 俊 英

(中國(guó)中建設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司山西分公司，山西 太原 030006)

依托ABAQUS有限元分析軟件，以“一”字形短肢剪力墻較薄弱的抗震構(gòu)件作為研究對(duì)象，建立等效模型并模擬分析了該結(jié)構(gòu)在不同軸壓比、不同鋼筋配筋率情況下的承載、骨架曲線等關(guān)鍵抗震性能指標(biāo)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得出了軸壓比和配筋率對(duì)暗支撐“一”字形短肢剪力墻的抗震性能影響敏度較高的結(jié)論。

暗支撐，剪力墻，ABAQUS，抗震性能

0 引言

鋼筋混凝土剪力墻暗支撐廣泛應(yīng)用于已建與在建土木工程中，對(duì)于其抗震性能與力學(xué)特征，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究[1,2]，如北京工業(yè)大學(xué)曹萬(wàn)林教授等已完成了大量的抗震試驗(yàn)，試驗(yàn)表明暗支撐在剪力墻中能起到銷栓作用，限制了斜裂縫發(fā)展，加了暗支撐的剪力墻上有較高的延性和耗能能力。

本文利用ABAQUS有限元軟件鋼筋混凝土帶暗支撐“一”字形截面短肢剪力墻試驗(yàn)，通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，以驗(yàn)證軟件模擬的可行性，進(jìn)而分析帶暗支撐“一”字形短肢剪力墻的抗震性能。同時(shí)考慮不同軸壓比及不同暗支撐鋼筋配筋率的條件下，“一”字形暗支撐剪力墻結(jié)構(gòu)非線性數(shù)值模擬計(jì)算。

1 模型建立

1.1 本構(gòu)關(guān)系

本文選用GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的混凝土本構(gòu)模型，混凝土單軸受壓的應(yīng)力—應(yīng)變可按下列公式確定：

當(dāng)x≤1時(shí):

y=αax+(3-2αa)x2+(αa-2)x3。

當(dāng)x>1時(shí)：

其中，fc,r為混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度代表值，其值可取fc或fcm；εc,r為單軸抗壓強(qiáng)度相應(yīng)的混凝土峰值壓應(yīng)變；αa，αd為混凝土單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線下降段的參數(shù)值?；炷羻屋S受拉應(yīng)力—應(yīng)變表達(dá)式，即：

當(dāng)x≤1時(shí)：

y=1.2x+0.2x6。

當(dāng)x>1時(shí)：

其中，ft,r為混凝土的單軸抗拉強(qiáng)度代表值,其值可取ft或ftm；εt,r為與單軸抗拉強(qiáng)度代表值相應(yīng)的混凝土峰值拉應(yīng)變；αt為混凝土的單軸受拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線下降段參數(shù)值。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出C30混凝土的單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線、受拉應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1，圖2所示。

常用的鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變曲線有完全彈塑性的雙直線模型、描述完全彈塑性加硬化的三折線模型和描述彈塑性的雙斜線模型。這里選用第一種模型，表達(dá)式如下：

當(dāng)εs≤εy時(shí)，σs=Esεs。

當(dāng)εy≤εs≤εs,h時(shí)，σs=fy。

其中，fy為鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;εy為鋼筋屈服應(yīng)變;εs,h為鋼筋強(qiáng)化點(diǎn)起點(diǎn)應(yīng)變;Es為鋼筋彈性模量。

1.2 模型參數(shù)

采用ABAQUS/Explicit模塊，以文獻(xiàn)其中一個(gè)鋼筋混凝土帶暗支撐“一”字形截面短肢剪力墻模型為例，該模型如圖3所示，與原型的縮尺比為1∶2。模型中剪力墻采用細(xì)石混凝土制作，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30。鋼筋力學(xué)性能見(jiàn)表1。暗支撐縱筋為4φ8。

表1 鋼筋力學(xué)性能

以分離式方法建立了對(duì)應(yīng)的有限元計(jì)算模型，混凝土剪力墻采用C3D8R模擬，鋼筋采用Truss單元。試驗(yàn)中對(duì)模型先施加軸壓比為0.2的軸力，然后再施加水平低周反復(fù)荷載，加載點(diǎn)距基礎(chǔ)表面的高度為900 mm。而數(shù)值模擬采用荷載控制和位移控制兩種加載方式，首先施加軸力，建模中為了避免應(yīng)力集中，在施加軸向力處增加了剛性墊塊，然后再施加水平位移。

2 計(jì)算結(jié)果

模擬結(jié)果：

1)在單調(diào)荷載作用下，剪力墻兩個(gè)墻角的受力情況有明顯不同，受力區(qū)域有向暗支撐方向移近的趨勢(shì)。表現(xiàn)為在受拉一側(cè)的剪力墻墻角應(yīng)力較?。皇軌阂粋?cè)的剪力墻墻角應(yīng)力較大，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

由此可知，這是因?yàn)樵谠嚰敹耸┘拥妮S向力在剪力墻體內(nèi)產(chǎn)生的壓應(yīng)力與由水平推力引起的拉應(yīng)力相互抵消的原因。

2)剪力墻體底部暗支撐鋼筋應(yīng)力比分布鋼筋先進(jìn)入屈服狀態(tài)，說(shuō)明暗支撐可以有效地加強(qiáng)墻體抵抗水平荷載的第一道防線，能有效提高抗震性能。

3 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由非線性有限元計(jì)算分析所得到的荷載位移曲線與試驗(yàn)中提取出來(lái)的骨架曲線的對(duì)比如圖4所示。

可以看出ABAQUS模擬暗支撐剪力墻是合理可行的。在加載前期，試驗(yàn)曲線與計(jì)算曲線基本吻合；在加載后期，特別是到屈服階段以后，由于屈服剛度比實(shí)驗(yàn)值稍大，以致計(jì)算分析出的位移值偏小，而承載力與試驗(yàn)值大體相同，分析其原因主要有以下三點(diǎn)：

1)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，在ABAQUS中，混凝土的實(shí)際破壞形態(tài)沒(méi)有得到塑性損傷模型較好的反應(yīng)；

2)試驗(yàn)與有限元計(jì)算的加載方式不同，計(jì)算時(shí)單調(diào)水平加載，而試驗(yàn)是低周反復(fù)加載；

3)ABAQUS中忽略了加載后期鋼筋的粘結(jié)滑移情況。

4 影響因素的數(shù)值計(jì)算和分析

4.1 軸壓比

在其余參數(shù)均相同的條件下，以軸壓比分別為0.1，0.2，0.4實(shí)行有限元非線性解析。其位移荷載曲線如圖5所示。結(jié)果表明：隨著軸壓比的增大，暗支撐剪力墻的抗剪承載力有顯著的提高，不過(guò)其延性有所下降。說(shuō)明軸壓比對(duì)暗支撐剪力墻的抗震性能影響很大。

4.2 暗支撐配筋率

分別考慮剪力墻暗支撐鋼筋為φ8，φ10，φ12的情況。圖6為不同暗支撐鋼筋時(shí)的荷載位移曲線。從圖6可以看出，隨著暗支撐鋼筋率的增大，帶暗支撐剪力墻的承載力顯著提高，延性也有所增強(qiáng)。同時(shí)，受力區(qū)域向暗支撐傾角逼近的趨勢(shì)也愈加明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

1)采用分離式有限元模型對(duì)帶暗支撐一字形短肢剪力墻進(jìn)行了靜力非線性數(shù)值模擬。與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明，在加載前期，試驗(yàn)曲線與計(jì)算曲線基本吻合；在加載后期，特別到屈服階段以后，由于屈服剛度比實(shí)驗(yàn)值稍大，以致計(jì)算分析得出的位移值偏小，而承載力與試驗(yàn)值大體相同。同時(shí)剪力墻的受力區(qū)域有向暗支撐傾角逼近的趨勢(shì)。

2)在其余條件不變的情況下，軸壓比越大，暗支撐剪力墻的承載力提高越顯著，但是延性有所下降。

3)在其余條件不變的情況下，隨著暗支撐配筋率的增大，暗支撐剪力墻的承載力提高顯著，并且延性也有所增強(qiáng)。

[1]曹萬(wàn)林，張建偉.帶暗支撐低矮剪力墻抗震性能試驗(yàn)及承載力計(jì)算.土木工程學(xué)報(bào)，2004，37(3):44-51.

[2]曹萬(wàn)林，董宏英.鋼筋混凝土帶暗支撐雙肢剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2004，25(3):22-28.

[3]王金昌，陳頁(yè)開(kāi).ABAQUS在土木工程中的應(yīng)用.杭州：浙江大學(xué)出版社，2006.

[4]曹萬(wàn)林，楊興民.鋼筋混凝土帶暗支撐一字形截面短肢剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究.世界地震工程，2004，20(4):30-35.

[5]GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.

Nonlinear analysis of I-shaped short pier shear wall with concealed bracings

Zhang Junying

(ShanxiBranch,ChinaConstructionEngineeringDesignGroupCorporationLimited，Taiyuan030006,China)

The paper investigates the relatively weak seismic system components of I-shaped short pier shear wall based on ABAQUS software. The components’ equivalent model are established, which are used to analyze their key seismic specification such as bearing capacity and skeleton curve, under different axial compression ratio and reinforcement proportion of the concealed bracings. Comparison of simulation results and experiments indicates that axial compression ratio and reinforcement proportion of the concealed bracings are main factors that influence the seismic specification of I-shaped short pier shear wall.

concealed bracings, shear wall, ABAQUS, seismic behavior

1009-6825(2015)01-0047-02

2014-10-24

張俊英(1979- )，女，工程師

TU398.2

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