基于ANSYS的型鋼混凝土T形短肢剪力墻的數(shù)值分析

李 海 川

(天津華冶工程設(shè)計(jì)有限公司，天津 300270)

基于ANSYS的型鋼混凝土T形短肢剪力墻的數(shù)值分析

李 海 川

(天津華冶工程設(shè)計(jì)有限公司，天津 300270)

利用ANSYS軟件對型鋼混凝土T形短肢剪力墻采用實(shí)體建模的方法進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，考慮了混凝土強(qiáng)度等級、墻肢截面高厚比、軸壓比對型鋼混凝土T形短肢剪力墻受力性能的影響，建立了三組共13個(gè)有限元模型試件，對結(jié)構(gòu)在單調(diào)水平荷載作用下的延性和承載力進(jìn)行了比較，得出的結(jié)論對型鋼混凝土T形截面短肢剪力墻的理論研究和工程應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

型鋼混凝土T形短肢剪力墻，數(shù)值分析，ANSYS，截面高厚比，軸壓比

0 引言

型鋼混凝土短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是一種新型的高層結(jié)構(gòu)體系，使結(jié)構(gòu)具有框架和剪力墻結(jié)構(gòu)的雙重特點(diǎn)。型鋼混凝土T形截面短肢剪力墻由于其兼具平面易于布置和受力性能明顯優(yōu)于普通短肢剪力墻的特點(diǎn)，在高層住宅中的應(yīng)用方面有廣闊的前景。但目前國內(nèi)對型鋼混凝土T形截面短肢剪力墻受力性能的研究還較少，理論研究滯后于工程實(shí)踐，因此對其受力性能研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。文中運(yùn)用ANSYS軟件對型鋼混凝土T形截面短肢剪力墻進(jìn)行有限元模擬，分析其在單調(diào)水平荷載作用下的受力性能。

1 試件設(shè)計(jì)

有限元模擬中采用比例為1∶1的有限元模型，試件高采用3 m，基本試件為T型鋼混凝土短肢剪力墻。有限元分析中，各量的單位均采用國際單位制，長度單位采用m，力單位采用N。

1.1 基本BASE試件

根據(jù)有關(guān)規(guī)范規(guī)程及常見的工程實(shí)例，設(shè)計(jì)了型鋼混凝土短肢剪力墻BASE基本試件和系列試件，假定該構(gòu)件的抗震等級為一級。BASE試件的H型鋼材料選用Q345鋼，彈性模量Es=2.06×1011Pa，泊松比0.3，混凝土強(qiáng)度為C40，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為19.1 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.71 MPa，泊松比0.2。剪力墻截面尺寸見圖1，高h(yuǎn)=3 m。剪力墻墻肢截面高厚比為6，墻頂施加了軸力向壓力6.685 N/mm2，形成0.35軸壓比。同時(shí)為了防止上下底面的混凝土在加載時(shí)由于應(yīng)力集中而發(fā)生壓碎破壞，在上下底面都加了鋼墊塊，其材料屬性同模型中型鋼。

根據(jù)JGJ 138—2001型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程8.2.2條規(guī)定，文中選用的H型鋼尺寸為200 mm×200 mm×8 mm×12 mm，T型鋼尺寸為100 mm×200 mm×8 mm×12 mm,保護(hù)層厚度為50 mm。為了保證剪力墻面外穩(wěn)定性，型鋼的擺放方式為強(qiáng)軸與剪力墻長度方向平行。墻體的縱向分布鋼筋為φ14@100，配筋率為1.0%，水平分布筋為φ14@200，配筋率為0.5%，滿足《高規(guī)》7.2.17條和7.2.18條的規(guī)定。在計(jì)算暗柱體積配筋率和端部暗柱含鋼量時(shí)假定暗柱面積取b×h=300 mm×300 mm。BASE試件在剪力墻端部暗柱設(shè)置縱向受力鋼筋配筋率為1.79%(8φ16，鋼筋為HRB335)，滿足《高規(guī)》7.2.15條的規(guī)定，箍筋體積配筋率為0.67%，暗柱含鋼率為7.1%。基本BASE試件的有限元模型見圖1。

1.2 系列試件

有關(guān)研究表明，影響型鋼混凝土短肢剪力墻的抗震性能的主要因素很多，文中為了研究各參數(shù)對構(gòu)件的抗震性能的影響程度，以BASE試件為原型衍生設(shè)計(jì)了三個(gè)系列試件，分別為TCX系列、TGX系列和TZX系列，分別代表考慮混凝土強(qiáng)度、墻肢截面高厚比和軸壓比。各個(gè)試件的高度均為3 000 mm，墻肢厚度均為300 mm，墻體的分布鋼筋的配置、墻肢腹板端部和翼緣兩端配鋼形式均與BASE試件相同。

1)TCX系列試件。該系列試件是通過改變BASE試件的混凝土強(qiáng)度等級來分析混凝土強(qiáng)度對型鋼混凝土短肢剪力墻受力性能的影響。TCX系列試件數(shù)據(jù)見表1。

表1 TCX系列試件

試件名稱TC1TC2BASETC4TC5混凝土等級3035404550

2)TGX系列試件。該系列試件是通過改變BASE試件的墻肢截面高厚比來分析該比值的變化對型鋼混凝土短肢剪力墻受力性能的影響。TGX系列試件數(shù)據(jù)見表2。

表2 TGX系列試件

3)TZX系列試件。該系列試件是通過改變BASE試件的軸壓比來分析該參數(shù)對型鋼混凝土短肢剪力墻受力性能的影響。TZX系列試件數(shù)據(jù)見表3。

表3 TZX系列試件

1.3 材料參數(shù)

有限元分析中，BASE試件及各系列試件混凝土和鋼材的強(qiáng)度采用設(shè)計(jì)值，按照有關(guān)規(guī)范，取值如表4，表5所示。

表4 混凝土材料參數(shù)

表5 鋼材參數(shù)

2 構(gòu)件模型

2.1 本構(gòu)關(guān)系

采用多線性隨動硬化模型描述混凝土上升段本構(gòu)關(guān)系，采納Hognestad的建議，為了使程序更好的收斂[2]，不考慮本構(gòu)關(guān)系曲線的下降段，而采用水平段，用rusch[1，3]模型。混凝土本構(gòu)模型計(jì)算公式為：

當(dāng)ε≤ε0時(shí)，

(1)

當(dāng)ε0≤ε≤εμ時(shí)，

σ=fc

(2)

其中，fc為峰值應(yīng)力(棱柱體極限抗壓強(qiáng)度)；ε0為相應(yīng)于峰值應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變，取ε0=0.002；εμ為極限壓應(yīng)變，取εμ=0.003 8。

鋼材本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型。兩種材料的本構(gòu)關(guān)系圖如圖2所示。

2.2 模型參數(shù)

混凝土破壞準(zhǔn)則采用Willam-Warnke五參數(shù)準(zhǔn)則，鋼材破壞準(zhǔn)則采用Mises屈服準(zhǔn)則。混凝土采用多線性隨動強(qiáng)化模型，鋼材選用等向強(qiáng)化模型。模型采用整體式建模，混凝土采用Solid65單元，鋼筋采用Link8單元，將鋼筋完全彌散在混凝土單元內(nèi)。型鋼采用Solid45單元，型鋼和混凝土各自建立幾何實(shí)體模型。在型鋼和混凝土的接觸面上，兩種材料共用節(jié)點(diǎn)，不考慮兩者之間的滑移。混凝土參數(shù)設(shè)置：計(jì)算中為了收斂，閉合裂縫的剪力傳遞系數(shù)βc一般取為0.9～1.0；張開裂縫傳遞系數(shù)βt一般范圍為0.125～0.65，文中參考相關(guān)文獻(xiàn)[3-5]取為0.125。另外關(guān)閉壓碎選項(xiàng)，文獻(xiàn)[5][6]指出，開裂模型比較粗糙，選用要慎重，分析中關(guān)閉開裂選項(xiàng)，取得了較好的模擬效果。單元尺寸為50mm。采用位移加載和力收斂準(zhǔn)則，力收斂控制準(zhǔn)則為0.05，采用2范數(shù)。設(shè)置了兩個(gè)荷載步，豎向均布壓力為第一荷載步，水平位移荷載為第二荷載步，子步數(shù)量根據(jù)位移的大小設(shè)置為200子步～500子步。其他設(shè)置：打開大變形選項(xiàng)，打開自動時(shí)間步選項(xiàng)，選用稀疏矩陣求解器；打開線性搜索以及預(yù)測器選項(xiàng)以幫助收斂，最大平衡迭代數(shù)設(shè)置為50，該參數(shù)的缺省值為15；使用N—R迭代求解，打開自適應(yīng)下降段選項(xiàng)；其他參數(shù)采用程序默認(rèn)設(shè)置。

3 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 基本試件結(jié)果分析

BASE試件在正、反向單調(diào)水平荷載作用下的荷載位移曲線見圖3。從圖3中可以看出當(dāng)構(gòu)件翼緣受壓(正向)時(shí)，極限荷載為2 749kN,極限位移為荷載下降至極限荷載的85%時(shí)對應(yīng)的位移26.5mm，延性系數(shù)[1]為2.72；當(dāng)構(gòu)件翼緣受拉(反向)時(shí)，極限荷載為2 461kN，極限位移為25.5mm，延性系數(shù)為3.58。比較可知在相同情況下BASE構(gòu)件翼緣受壓時(shí)的承載力比翼緣受拉時(shí)的承載力高288kN，而延性系數(shù)卻降低了0.86。當(dāng)BASE構(gòu)件正向受力時(shí)，構(gòu)件頂端截面位移約達(dá)到8mm之前，正反向受力時(shí)的荷載位移曲線基本重合且成直線狀態(tài)，此時(shí)構(gòu)件受力性能相似且處于彈性階段；頂端截面位移達(dá)到8mm之后，荷載位移曲線顯示出構(gòu)件進(jìn)入塑性變形狀態(tài)；位移達(dá)到16.9mm時(shí)，構(gòu)件達(dá)到極限荷載2 749kN；之后由于混凝土開裂、壓碎，鋼筋和型鋼屈服，承載力開始下降，在荷載位移圖上變現(xiàn)為下降段。當(dāng)基本構(gòu)件反向受力時(shí)，構(gòu)件頂端截面位移約達(dá)到5.47mm之前，荷載位移曲線基本成直線狀態(tài)，表明此時(shí)構(gòu)件處于彈性階段；位移達(dá)到13mm時(shí)，構(gòu)件處于明顯的彈塑性階段；位移達(dá)到13mm之后，構(gòu)件的荷載位移曲線近似為水平線，表明構(gòu)件處于塑性階段；當(dāng)位移達(dá)到25.5mm，構(gòu)件中的受力最大點(diǎn)的應(yīng)變過大時(shí)，計(jì)算終止，表明結(jié)構(gòu)破壞。

3.2 系列試件結(jié)果分析

通過對三組模型試件的有限元分析，各系列試件在正向和反向單調(diào)水平荷載作用下的荷載、位移及延性系數(shù)見表6～表8。

表6 TCX系列試件延性系數(shù)表

表7 TGX系列試件延性系數(shù)表

表8 TZX系列試件延性系數(shù)表

從表中可以看出，TCX，TGX，TZX系列試件型鋼混凝土T形截面短肢剪力墻翼緣墻受壓時(shí)的極限承載力大于翼緣墻受拉時(shí)的承載力；一般情況下，翼緣墻受壓時(shí)的構(gòu)件延性小于翼緣受拉時(shí)的延性(TC5,TZ1除外)。

從表中可以看出，翼墻受壓時(shí)：對于TCX系列試件，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級差一級時(shí)，承載力分別提高27.1%，0.0%，20.4%，7.3%，可以看出將混凝土強(qiáng)度等級提高至C40以上時(shí)會明顯提高短肢剪力墻的承載力，但是如果繼續(xù)增加混凝土強(qiáng)度等級，型鋼混凝土短肢剪力墻承載力增長的速度減緩；對于TGX系列，當(dāng)各試件高厚比相差1時(shí)，承載力分別提高45.6%，20.3%，37.5%，

19.2%，由此可以看出隨高厚比的提高，型鋼混凝土短肢剪力墻的承載力的增幅逐漸減緩；對于TZX系列試件，各試件軸壓比分別相差0.15時(shí)，承載力分別降低-3.0%，10.6%，4.4%，16.0%，由此可以看出隨著軸壓比的升高，型鋼混凝土短肢剪力墻的承載力的降幅逐漸增大。

從表中可以看出，翼墻受拉時(shí)：對于TCX系列試件，系列試件承載力分別比前一標(biāo)號混凝土的提高13%，9.5%，10.8%，7.6%，說明反向作用時(shí)隨混凝土強(qiáng)度等級的提高，型鋼混凝土短肢剪力墻承載力增長的速度減緩；對于TGX系列試件，系列試件承載力分別提高45.0%，30.7%，28.1%，20.1%，說明反向作用時(shí)隨高截面厚比的提高，型鋼混凝土短肢剪力墻承載力增長的速度減緩；對于TZX系列試件，軸壓比每增加0.15，承載力分別降低6.7%，11.0%，10.5%，16.6%，說明反向作用時(shí)隨高截面軸壓比的提高，型鋼混凝土短肢剪力墻承載力降低的速度增大。

從延性的角度考慮，對于TCX和TGX系列試件，正向和反向荷載作用時(shí)，BASE試件的延性系數(shù)均最大，分別為2.72和3.58，說明混凝土強(qiáng)度等級和墻肢截面高厚比存在一合理值，偏離該值時(shí)構(gòu)件延性將降低；對于TZX系列試件，軸壓比偏大或偏小時(shí)，荷載正向作用和反向作用時(shí)，構(gòu)件的延性系數(shù)相差較大。

4 結(jié)語

通過對模型的數(shù)值分析可知，在單調(diào)水平荷載作用下，構(gòu)件翼緣受壓時(shí)的承載力大于翼緣受拉時(shí)的承載力，而翼緣受壓時(shí)的延性小于翼緣受拉時(shí)的延性；翼緣受壓時(shí)，對構(gòu)件承載力影響最大的依次是墻肢截面高厚比、混凝土強(qiáng)度等級和軸壓比；翼緣受拉時(shí)，對構(gòu)件承載力影響最大的依次是墻肢截面高厚比、軸壓比和混凝土強(qiáng)度等級；隨著混凝土強(qiáng)度等級和截面高厚比的增加，構(gòu)件承載力逐漸增大；隨著軸壓比的增加，構(gòu)件的承載力在逐漸減小，但減小的幅度較小；從延性的角度考慮，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級大于C40時(shí)應(yīng)考慮脆性的影響，墻肢截面高厚比和軸壓比應(yīng)分別控制在6.0和0.35左右，否則會造成延性的大幅降低。

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Numerical analysis on steel reinforced concrete T-shape short shear wall on the basis of ANSYS

Li Haichuan

(TianjinHuayeEngineeringDesignCo.,Ltd,Tianjin300270,China)

The paper carries out numerical simulation analysis on the steel reinforced concrete T-shaped short shear wall with modeling methods by applying ANSYS software, considers the impact of concrete strength degree, wall section width-depth ration, and axial compression ration upon steel reinforced concrete T-shaped short shear wall, establishes three groups of 13 finite element models, comparatively studies the ductility and bearing capacity of the structure under single horizontal load. Therefore， the research conclusions has important referring value for theoretical research and engineering application of steel reinforced concrete T-shape short shear wall.

steel reinforced concrete T-shape short shear wall, numerical analysis, ANSYS, width-depth ratio, axial compression ratio

1009-6825(2015)02-0025-03

2014-11-05

李海川(1987- )，男，助理工程師

TU398

A