型鋼混凝土短肢剪力墻承載力分析

梁 偉 于凌燕 阮宗波

1 概述

短肢剪力墻是一種性能介于異形柱體系和普通剪力墻體系之間的剪力墻，只不過是采用較短的墻肢，“短肢”的定義并不很嚴格，一般可理解為其肢長約2 m或以下，而且通常采用T形、L形、I形、Z形等形式，短肢剪力墻主要布置在房間分隔墻的交點處。視抗側(cè)力的需要及與分隔墻相交的形式而布置適當數(shù)量的相應(yīng)形式的短肢墻，并在各肢處布置連系梁，把這些墻連結(jié)成一個整體以構(gòu)成結(jié)構(gòu)體系。剪力墻的間隔墻則用輕質(zhì)砌體來填補。在這種體系中，根據(jù)需要并對結(jié)構(gòu)有利的情況，也可以混合布置部分長肢墻或方矩形柱。這種結(jié)構(gòu)體系并不是一種新的結(jié)構(gòu)體系，但是它結(jié)合建筑的特點，形成一種較為特殊的形式，實質(zhì)上是剪力墻結(jié)構(gòu)體系的一種分支。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中指出，短肢剪力墻是指墻肢的截面高度與厚度之比為5～8之間的剪力墻。短肢剪力墻的肢長一般取在1000mm～2500mm之間。長不宜過長，如果將剪力墻設(shè)計的過于低寬，結(jié)構(gòu)最終破壞形態(tài)將由結(jié)構(gòu)的受剪承載力控制，剪力墻有可能出現(xiàn)脆性破壞，完全不利于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計。而當剪力墻較為高細時，結(jié)構(gòu)呈受彎工作狀態(tài)，由受彎承載力控制其破壞狀態(tài)，此時剪力墻具有足夠的延性，有利于抗震。

2 有限元模型的建立

2.1 材料的本構(gòu)關(guān)系模型

混凝土本構(gòu)關(guān)系的模型對型鋼混凝土短肢剪力墻的非線性分析有重大影響。由于混凝土材料本身的特殊性和復(fù)雜性，許多混凝土本構(gòu)關(guān)系模型對于實際的工程計算而言都顯得過于復(fù)雜，不便于應(yīng)用。常用的本構(gòu)關(guān)系就有數(shù)十種之多，文中混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線采用我國GBJ 10-89混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范建議模型，該模型的上升段為二次拋物線，下降段為直線，混凝土模型考慮受拉開裂(Cracking)，受壓本構(gòu)關(guān)系采用多折線隨動強化模型Multilinear Kinematic hardening plasticity來定義。型鋼和鋼筋假定為理想的彈塑性材料，采用ANSYS程序提供的經(jīng)典雙線性隨動強化模型，遵循Von-Mises屈服準則。

2.2 單元類型的選取與劃分

型鋼混凝土短肢剪力墻由混凝土、鋼材兩種材料組成。對于型鋼混凝土短肢剪力墻，考慮鋼筋與混凝土之間錨固良好，而型鋼與混凝土之間產(chǎn)生的脫離問題，在實際工程可采取構(gòu)造予以一定程度地解決，因此文中采用整體式模型，直接利用Solid65提供的實參數(shù)建模，其優(yōu)點是建模方便，整體式模型主要用于有大量鋼筋且鋼筋分布較均勻的構(gòu)件中，譬如剪力墻或樓板結(jié)構(gòu)。由于短肢剪力墻端部型鋼暗柱的存在，使得其縱向含鋼率在端部相對較大，因此可以采取模型中含鋼率不同模擬實際情況。混凝土單元采用Solid65單元，型鋼單元采用Solid45單元。鋼筋是由彌散鋼筋單元組成的整體式鋼筋模型，可以在三維空間的不同方向分別設(shè)定鋼筋的位置、角度、配筋率等參數(shù)。

2.3 型鋼與混凝土界面模型

型鋼與混凝土之間的接觸部分用三維面與面接觸單元。ANSYS支持剛體與柔體的面與面之間的接觸單元，型鋼為剛性體，剛性面被視為“目標”面，用Targe170單元來模擬“目標”面，混凝土為柔性體，柔性體的表面被當作“接觸”面，用Contact174單元來模擬，鋼管和混凝土之間的摩擦系數(shù)取為0.6。

2.4 基本試件設(shè)計

基本試件為“一”字形截面型鋼混凝土短肢剪力墻，型鋼混凝土短肢剪力墻截面高寬300，剪力墻高2800mm，H型鋼尺寸為180mm×180mm×8mm×10mm。試件底部固結(jié)，在剪力墻頂部所有結(jié)點進行X方向的耦合，這時程序?qū)a(chǎn)生一個主結(jié)點，水平力以位移的方式施加在耦合端面的主結(jié)點上。混凝土強度為C45，縱筋為HRB335，箍筋為HPB235，型鋼采用Q345鋼材。縱筋含鋼率為1.8%，箍筋含鋼率為0.35%。

3 試驗結(jié)果分析

圖1為截面高厚比依次為h/b=5，h/b=6，h/b=7時型鋼混凝土短肢剪力墻荷載—位移曲線。由圖1可知，隨著截面高厚比的增大，型鋼混凝土剪力墻的承載力和剛度逐漸增大，極限承載力增大的幅度為10%左右。彈性階段荷載—位移曲線基本相同，彈塑性階段荷載—位移曲線相差比較大。隨著截面高厚比的增大，基本試件的荷載—位移曲線下降段趨于平緩，極限位移逐漸增大，而且增大的幅度比較大。由此可知，高厚比對型鋼混凝土短肢剪力墻的受力性能影響比較大，隨著截面高厚比的增大，型鋼混凝土剪力墻的剛度和承載力逐漸增大，塑性和延性性能也同時提高。所以為改善型鋼混凝土短肢剪力墻的受力性能，設(shè)計時要嚴格控制高厚比，并且要滿足規(guī)范要求。與普通鋼筋混凝土短肢剪力墻相比，型鋼混凝土短肢剪力墻，可以較大的改善構(gòu)件的工作性能，滿足實際工程中大跨度、重荷載對構(gòu)件的要求。

表1為h/b=5，h/b=6，h/b=7時型鋼混凝土短肢剪力墻在豎向荷載和水平荷載作用下的荷載與位移值。由表1可知，隨著試件截面高厚比的增大其開裂荷載，開裂位移也相應(yīng)的增大，但是增大的幅度很小，由此說明高厚比對型鋼混凝土短肢剪力墻混凝土的開裂影響不是很大，混凝土的開裂主要受混凝土強度的影響。截面高厚比的增大，可以延緩構(gòu)件的開裂荷載。基本試件的屈服荷載和極限荷載均隨著構(gòu)件墻肢截面的高厚比增大而相應(yīng)提高，并且提高的幅度比較大。

表1 試件各階段的荷載與位移

4 結(jié)語

型鋼混凝土短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)的一種新型抗側(cè)力部件，可由縱橫方向的剪力墻組成抗側(cè)向力體系，主要承受水平地震作用，與普通的鋼筋混凝土剪力墻相比，它的抗側(cè)剛度很大。此外，型鋼混凝土短肢剪力墻內(nèi)外不露梁、柱楞角，便于室內(nèi)布置，方便實用。它已成為大多數(shù)城市高層住宅采用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)部件。試研究結(jié)果表明:這種新型的短肢剪力墻充分發(fā)揮了不同抗側(cè)力體系和不同材料的優(yōu)勢，顯著提高了剪力墻的承載力和抗側(cè)剛度，在一定程度上解決了國內(nèi)外學(xué)者一直關(guān)注的改善剪力墻性能的問題。型鋼混凝土短肢剪力墻破壞形式屬于彎剪破壞，主要以受彎破壞為主，塑性和延性性能大幅提高。隨著型鋼混凝土短肢剪力墻理論研究的日益完善，型鋼混凝土短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在工業(yè)及民用建筑中的應(yīng)用將得到進一步推廣。

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