蔣 華 朱飛強(qiáng) 孫登坤

(1.武昌首義學(xué)院，湖北 武漢 430064； 2.武漢市江夏區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)局，湖北 武漢 430060； 3.武漢和創(chuàng)建筑工程設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430071)

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雙連梁雙肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震有限元分析

蔣 華1朱飛強(qiáng)2孫登坤3

(1.武昌首義學(xué)院，湖北 武漢 430064； 2.武漢市江夏區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)局，湖北 武漢 430060； 3.武漢和創(chuàng)建筑工程設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430071)

采用ANSYS有限元軟件，建立了雙連梁和深連梁雙肢剪力墻試件模型，對(duì)比分析了兩種剪力墻在單調(diào)力加載下的各項(xiàng)抗震性能指標(biāo)，結(jié)果表明，雙連梁雙肢剪力墻的抗震性能較深連梁剪力墻更優(yōu)。

雙連梁，雙肢剪力墻，抗震性能，ANSYS

0 引言

在高層建筑中，剪力墻結(jié)構(gòu)或框架—剪力墻結(jié)構(gòu)因其較好的抗震性能被廣泛應(yīng)用。實(shí)際工程中，因開洞跨度小以及保證聯(lián)肢墻具備足夠側(cè)向剛度等因素，連梁多被設(shè)計(jì)成深連梁。大量震害表明，雙連梁剪力墻結(jié)構(gòu)因跨高比較大，抗震性能比跨高比較小的深連梁剪力墻更優(yōu)[1]。丁永君等人[3]對(duì)高強(qiáng)鋼筋高強(qiáng)混凝土雙連梁剪力墻結(jié)構(gòu)與單連梁剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行低周往復(fù)荷載下的抗震試驗(yàn)研究，對(duì)比分析兩者的承載力、滯回特性、延性、耗能能力，結(jié)果表明雙連梁剪力墻結(jié)構(gòu)較小跨高比的單連梁剪力墻結(jié)構(gòu)承載力降低了20%～30%、延性增加約30%、耗能能力增加約20%；范重等人[4-7]自2009年開始持續(xù)研究剪力墻結(jié)構(gòu)中的連梁?jiǎn)栴}，先后提出多連梁、寬連梁等改進(jìn)措施，并進(jìn)行相應(yīng)的抗震試驗(yàn)研究。

本文在前人的震害經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、試驗(yàn)研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件研究的基礎(chǔ)上，在不改變洞口位置和大小的前提下，通過ANSYS有限元分析軟件建立雙連梁雙肢剪力墻和深連梁雙肢剪力墻試件模型，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)比分析了兩者的承載力、延性、剛度、滯回特性和耗能能力，再次肯定雙連梁對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的增強(qiáng)效果及應(yīng)用價(jià)值。

1 有限元模型建立

本文依據(jù)文獻(xiàn)[2]中試驗(yàn)，選取兩片四層高性能混凝土短肢剪力墻按1/3縮尺進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，墻體尺寸如圖1所示。其中，DW是在SW的連梁中央位置開一道100 mm寬的縫槽，形成雙連梁。兩模型連梁配筋均為4φ8的縱筋和φ4@30的箍筋。

1.1 材料模型

為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文所建的剪力墻模型中鋼筋和混凝土的強(qiáng)度按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》來確定，混凝土材料的主要輸入?yún)?shù)見表1。

表1 混凝土材料系數(shù)

1.2 剪力墻有限元模型

ANSYS建模中，剪力墻、連梁分別采用整體式、分離式建模，構(gòu)件單元混凝土、鋼筋分別采用Solid65,Link8；忽略鋼筋、混凝土間的相對(duì)滑移；網(wǎng)格劃分時(shí)，兩種單元在接觸點(diǎn)耦合所有自由度，即使鋼筋與混凝土共同工作；地梁下端視為固定端約束，即對(duì)地梁底部所有節(jié)點(diǎn)施加全約束。

1.3 加載模型

為較全面地分析雙連梁的抗震性能，本文建立了單調(diào)加載和低周反復(fù)荷載加載制度。ANSYS計(jì)算時(shí)，在單調(diào)荷載制度下采用荷載步級(jí)為10 kN，子步數(shù)30，收斂準(zhǔn)則為力收斂，收斂條件取0.05，程序默認(rèn)值為0.001；在反復(fù)循環(huán)荷載制度下，荷載步級(jí)及收斂條件均同前，子步數(shù)取為50。

2 有限元分析

2.1 承載力和延性

1)荷載—位移曲線分析。

在單調(diào)加載方式下，兩剪力墻模型的荷載—位移曲線如圖2所示：加載初期，SW和DW兩模型的荷載—位移曲線基本重合，且荷載與位移呈線性關(guān)系；當(dāng)荷載加大到約170 kN時(shí)，DW開始屈服，位移較荷載有顯著增長，而SW的荷載在位移發(fā)生微小變化的同時(shí)繼續(xù)增加。對(duì)比整個(gè)加載過程，DW從屈服到極限狀態(tài)間，結(jié)構(gòu)在保持較高承載能力的同時(shí)變形也隨之增加，呈現(xiàn)出良好的塑性和延性；SW雖然極限承載力明顯高于DW，但在屈服后結(jié)構(gòu)迅速破壞，延性差。這些現(xiàn)象也可由表2的對(duì)比結(jié)果中看出。

表2 剪力墻有限元模型荷載值、位移值

編號(hào)屈服位移/mm屈服荷載/kN極限位移/mm極限荷載/kN延性系數(shù)DW18.11651612008.90SW14.42181132417.84

2)破壞形態(tài)。

SW,DW兩模型在各加載階段的裂縫分布情況如圖3所示。開裂階段，兩模型的初始裂縫均出現(xiàn)在二層梁的左下角，其中DW的初始裂縫出現(xiàn)在雙連梁的下部梁上。隨荷載增加，SW裂縫陸續(xù)出現(xiàn)在每層連梁的左下角和右上角，并沿豎向發(fā)展，逐漸形成豎向裂縫；DW的每層連梁裂縫則從端部向中間緩慢發(fā)展。到達(dá)極限狀態(tài)時(shí)，SW連梁裂縫迅速向受拉墻肢延伸，促使墻肢過分開裂而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體迅速破壞；而DW在荷載高達(dá)一定值時(shí)，先是雙連梁因裂縫密布而破壞，隨后受拉墻肢底部出現(xiàn)多處開裂，直至整個(gè)剪力墻破壞。對(duì)比兩片墻的破壞形態(tài)可知，DW較SW能更好地發(fā)揮連梁作為第一道抗震防線的作用；DW在破壞前從連梁到墻肢裂縫充分而緩慢的發(fā)展，使結(jié)構(gòu)延性增強(qiáng)。

2.2 滯回性能和耗能能力分析

兩種剪力墻模型在水平往復(fù)荷載作用下的荷載—位移曲線如圖4所示。由圖4可見，在逐級(jí)加載至120 kN的過程中，SW模型的滯回曲線幾乎呈直線，而DW的滯回曲線出現(xiàn)了捏攏現(xiàn)象，滯回環(huán)的形狀較為飽滿。

3 結(jié)語

通過對(duì)雙連梁、深連梁雙肢剪力墻模型進(jìn)行有限元計(jì)算及對(duì)比分析，本文得出結(jié)論如下：

1)雙連梁剪力墻(DW)結(jié)構(gòu)因連梁槽縫的開挖導(dǎo)致截面尺寸減小、剛度削弱，從而使結(jié)構(gòu)整體承載力較深連梁剪力墻(SW)偏低；

2)DW的破壞是先雙連梁受彎破壞后墻肢受拉破壞且裂縫發(fā)展過程長而緩慢，塑性和延性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于SW，且能很好地發(fā)揮連梁作為第一道抗震防線的作用；

3)DW的滯回曲線較SW更為飽滿，耗能能力明顯優(yōu)于SW。

綜上，雙連梁剪力墻較深連梁剪力墻具有更好的延性和耗能能力，更利于抗震；但雙連梁的尺寸設(shè)計(jì)、連梁形式的改變對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的削弱等問題待進(jìn)一步的研究來解決。

[1] 王亞勇.汶川地震建筑震害啟示——抗震概念設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2008,29(4):20-25.

[2] 李奎明，孫春毅，李 杰.高性能混凝土雙連梁短肢剪力墻試驗(yàn)研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2006,26(3):121-123.

[3] 丁永君，于敬海，李 端.高強(qiáng)鋼筋高強(qiáng)混凝土雙連梁剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2015,36(3):56-63.

[4] 范 重，李 波，范學(xué)偉.超高層建筑剪力墻短連梁有效配筋形式研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009,36(S1):496-499.

[5] 范 重，劉學(xué)林，黃彥軍.超高層建筑剪力墻設(shè)計(jì)與研究的最新進(jìn)展[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011,41(4):33-43.

[6] 范 重，劉 暢，吳 徽.多連梁剪力墻抗震性能研究[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014,31(4):125-134.

[7] 劉 暢，范 重，朱 丹.寬連梁剪力墻及其抗震性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2015,36(3):46-55.

Finite element analysis on dual binding beam coupled shear wall structure

Jiang Hua1Zhu Feiqiang2Sun Dengkun3

(1.WuchangShouyiCollege,Wuhan430064,China; 2.WuhanJiangxiaBureauofUrban-RuralBuilding,Wuhan430060,China; 3.WuhanHechuangBuildingEngineeringDesignCo.,Ltd,Wuhan430071,China)

Applying ANSYS finite element software, the paper establishes dual binding beam and deep coupled shear wall testing model, comparatively analyzes various seismic resisting performance of two kinds of shear wall under monotonic loading force. Results show that: comparing to the seismic resisting performance of deep continuous beam shear wall, the seismic resisting performance of dual binding beam coupled shear wall is more optimal.

dual binding beam, coupled shear wall, seismic performance, ANSYS

1009-6825(2017)10-0065-02

2017-01-20

蔣 華(1986- )，女，講師； 朱飛強(qiáng)(1985- )，男，工程師; 孫登坤(1984- )，男，工程師

TU352

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