新型低剪力墻非線性有限元分析與試驗研究

摘要：針對傳統(tǒng)低剪力墻延性的不足，提出了一種改進方案.為了準確把握新型配筋方案的優(yōu)勢，共完成了兩片低剪力墻的低周反復加載試驗，考察了它們在往復荷載作用下的極限承載力性能、滯回特性、延性以及破壞特征等.以試驗研究為基礎，采用ABAQUS有限元分析軟件，對比分析了4種不同配筋形式低剪力墻的非線性性能，并對新型低剪力墻豎縫的開設位置進行了研究.試驗結果與有限元分析表明：設置鋼筋暗支撐、開縫及設置鋼板的方式均可改善傳統(tǒng)低剪力墻的延性及變形性能；與帶暗支撐低剪力墻相比，新型低剪力墻的變形能力及耗能能力提高顯著，抗震性能更好，且具有明顯的多道抗震防線.

關鍵詞：結構工程；內藏鋼板鋼筋暗支撐混凝土組合低剪力墻；有限元分析；低周反復加載試驗

中圖分類號：TU375文獻標識碼：A

低剪力墻一般指剪跨比小于1的剪力墻，常用于多層底部框剪結構和高層底部大空間結構.研究表明[1]，低剪力墻以脆性的剪切破壞為主，延性和耗能能力較差，在地震作用下其破壞性極大，甚至造成建筑物的整體倒塌.為了改善低剪力墻抗震性能，國內外研究者先后提出了設置鋼筋暗支撐鋼筋混凝土低剪力墻[2]、內置鋼板鋼筋混凝土剪力墻[3-4]及雙鋼板混凝土組合剪力墻[5-7]等新型組合剪力墻，并對其進行了抗震性能試驗與理論研究.研究結果表明，這些新型剪力墻的性能較普通鋼筋混凝土低剪力墻有所改善，但設置鋼筋暗支撐鋼筋混凝土低剪力墻仍無法改變其剪切破壞模式，內置鋼板鋼筋混凝土剪力墻當鋼板太薄時仍可能局部屈曲.為此，筆者發(fā)明了內藏鋼板鋼筋暗支撐混凝土組合低剪力墻[8]，該剪力墻中配置了鋼板及鋼筋暗支撐，并進行了開縫處理.本文通過低周反復加載試驗，研究了這種新型低剪力墻的抗震性能，并在試驗研究的基礎上，采用ABAQUS軟件，進一步探討了其性能優(yōu)勢.

1.3加載方案

本試驗采用低周反復加載方式，試驗時首先施加501 kN的豎向荷載，使其軸壓比為0.2，并在試驗過程中保持不變.水平荷載由液壓加載裝置控制，加載點位于試件頂梁一端.豎向荷載由豎向油壓千斤頂提供，千斤頂上方放置力傳感器，以便于在加載中控制豎向荷載不變.水平荷載加載過程采用力位移雙控制法[9-10]：試件在彈性階段按照力控制分成3級加載，每級荷載循環(huán)1次；當試件頂點水平力位移曲線出現(xiàn)明顯轉折后，采用位移控制逐級加載，每級位移增量取3 mm，每級荷載循環(huán)2次.

2試驗結果及分析

2.1破壞過程和破壞形態(tài)

1）對未開縫的低剪力墻（LSW），當達到開裂荷載時，邊框柱底部首先出現(xiàn)水平裂縫并隨著荷載的增加向腹板斜向延伸.進一步加載，腹板出現(xiàn)多條對角剪切斜裂縫，同時邊框柱上產生多條水平裂縫.隨著荷載的逐漸增大，原有裂縫加長貫通，形成多條貫穿腹板的剪切斜裂縫，裂縫相互交叉成網狀將腹板分割成多個小塊.最終破壞時腹板角部混凝土剝落，邊框柱底部混凝土被壓潰，構件屬于彎剪破壞.

2）對開縫的低剪力墻（NLSW），裂縫首先沿豎向通縫的兩側出現(xiàn).隨著荷載的增加，在豎縫兩側剪力墻腹板出現(xiàn)斜裂縫，邊框柱出現(xiàn)水平裂縫，兩豎縫之間的內置鋼板剪力墻基本未出現(xiàn)裂縫.隨著荷載進一步增加，豎縫兩側剪力墻出現(xiàn)多條交叉斜裂縫并不斷延伸，兩側邊框柱出現(xiàn)多條水平裂縫，中間腹板開始出現(xiàn)斜裂縫.最終破壞時，豎縫兩側剪力墻布滿交叉斜裂縫，且裂縫寬度增加明顯，與斜裂縫相交的橫向鋼筋已屈服，兩邊框柱角部混凝土被壓潰，但兩豎縫之間剪力墻仍保持較好的完整性，構件破壞屬于彎曲破壞.

2.2滯回特性分析及骨架曲線

3低剪力墻有限元模型的建立

采用有限元分析軟件ABAQUS對剪力墻試件進行數(shù)值模擬.建模過程中，鋼筋采用2節(jié)點三維桿單元T3D2，鋼板和型鋼采用4節(jié)點減縮積分格式的殼單元S4R，混凝土采用8節(jié)點線性減縮積分三維實體單元C3D8R.鋼筋和鋼板通過EMBEDDED ELEMENT命令嵌入到整個混凝土主體單元中，假定鋼筋、鋼板和混凝土之間粘結良好，相互之間變形連續(xù).

本文有限元模型中的鋼材，采用服從相關流動法則的塑性模型，其在多軸應力狀態(tài)下滿足von Mises屈服準則.模型中的鋼筋，采用隨動硬化模型，在設置材料屬性時，按照規(guī)定使用真實應力和塑性應變.同時采用塑性損傷模型來模擬混凝土在往復荷載作用下的力學性能，即用反復應力作用下混凝土剛度的線性損傷，結合拉伸、壓縮應力狀態(tài)下的塑性性能來描述混凝土的非線性行為.對于模型中混凝土損傷塑性本構關系及損傷因子的計算，參見文獻[11].

4數(shù)值模擬結果及對比分析

對建立的2片低剪力墻有限元模型進行單向推覆分析計算，得到了墻體基地剪力頂點位移關系曲線，與試驗得到的墻體骨架曲線對比示意圖如圖9所示.由圖9可見，計算的曲線與試驗曲線吻合較好.試件從初始彈性到明顯屈服過程中剛度的衰減較數(shù)值模擬結果稍快，產生這種差異的原因：一是試驗與計算加載方式不同（低周反復荷載下結構剛度衰減比單向加載情況快），二是計算模型建立總是與實際情況有些差異.

5不同配筋形式低剪力墻的模擬分析

從圖11可以看出，設置斜向鋼筋暗支撐可提高普通低剪力墻的承載力及變形能力，但改善幅度沒有新型低剪力墻顯著；采用新型配筋及開縫方式處理的新型低剪力墻可較好地解決普通低剪力墻變形能力及延性不足的問題，同時保證其承載力不被削弱，延緩結構的開裂，并且在荷載作用下，屈服后可繼續(xù)承載能力的富余度較大；以鋼筋暗支撐替換新型低剪力墻中的鋼板，雖然也可以較好地解決普通低剪力墻變形能力及延性不足的問題，但卻是以降低較多的承載力為代價，不利于結構的抗震.

7結論

1）與傳統(tǒng)帶暗支撐低剪力墻相比，新型低剪力墻的變形能力及耗能能力顯著提高，具有良好的承載力，滯回環(huán)更飽滿，抗震性能更好.

2）傳統(tǒng)的帶暗支撐低剪力墻以脆性的剪切破壞為主，相比之下，新型低剪力墻為延性較好的彎曲破壞，破壞主要集中在剪力墻的豎縫兩側，豎縫之間剪力墻破壞輕微，破壞模式更合理，而且由于豎縫之間剪力墻在豎縫兩側剪力墻破壞后仍具有較高的承載力，因此形成了明確的兩道抗震防線，可以滿足“大震不倒”的要求.

3）傳統(tǒng)的不帶暗支撐低剪力墻的延性極差，可以通過設置鋼筋暗支撐、開縫及設置鋼板的方式來改善其延性，其中以新型配筋方式收到的效果最為顯著.若以鋼筋暗支撐替換新型低剪力墻中的內藏鋼板，也可較好地改善傳統(tǒng)的不帶暗支撐低剪力墻變形能力及延性不足的問題，但卻是以降低較多承載力為代價，顯然這種處理方式存在不妥之處.

4）新型低剪力墻具有明顯的多重抗震防線，調節(jié)豎縫之間剪力墻的寬度，可以得到不同承載力及延性性能的低剪力墻，滿足不同的需求.

參考文獻

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