單調(diào)荷載下開洞短肢剪力墻力學(xué)性能的有限元分析

劉 星，楊曉華，陳端云，魯 楠

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

單調(diào)荷載下開洞短肢剪力墻力學(xué)性能的有限元分析

劉 星，楊曉華，陳端云，魯 楠

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

為了研究開洞口對L形截面短肢剪力墻力學(xué)性能的影響，在短肢剪力墻的截面尺寸和配筋率保持不變的情況下，運用ANSYS有限元軟件，對不同開洞率的短肢剪力墻的力學(xué)性能進行研究，分析短肢剪力墻的承載力和屈服位移。模擬結(jié)果表明，短肢剪力墻的承載能力隨著短肢剪力墻開洞率的增加而降低，短肢剪力墻腹板底部以及開洞處是試件最薄弱的部位，開洞會降低短肢剪力墻的單調(diào)荷載下的力學(xué)性能，短肢剪力墻開洞直徑不宜過大。

短肢剪力墻；開洞率；力學(xué)性能

0 引言

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是在融合了框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)點的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的建筑結(jié)構(gòu)形式。與普通剪力墻相比，短肢剪力墻更合理，抗側(cè)力更大，從而使短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在實際工程尤其是在多高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用。

短肢剪力墻在實際工程中有良好的建筑功能，國內(nèi)外有學(xué)者對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系進行了較多的實驗和理論研究。容柏生最先提出短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系，并將這一結(jié)構(gòu)體系運用到我國實際工程中[1]。根據(jù)相關(guān)文獻[2]的規(guī)定，如果在短肢剪力墻上進行開洞處理，開洞面積一般小于整個剪力墻墻面面積的15%，而且相鄰洞口間距以及洞口至墻邊的距離大于孔洞長邊尺寸時，可以忽略孔洞的影響。當(dāng)孔洞的面積相對較大時，必須考慮孔洞的位置、大小對短肢剪力墻抗震性能的影響[3]。一般情況下，如果剪力墻開洞面積超過規(guī)范所規(guī)定的要求，且洞口的位置或形狀不規(guī)范時，通常都是通過運用ANSYS等有限元分析軟件進行分析[4]。王激揚等[5]通過4個不同剪力墻試件的擬靜力試驗后認為，不同的開洞位置使剪力墻極限承載力在不同受力方向上存在一定差異，在開洞位置相同的情況下，剪力墻承載力和抗側(cè)剛度的大小隨開洞率（洞口面積與剪力墻墻面面積的比值）的增大而減小。付善春等[6]在他人研究的基礎(chǔ)上進一步研究了不同開洞率、孔洞位置對剪力墻剛度及側(cè)向位移的影響，分析得出在開洞位置相同的情況下，開洞率的加大使得剪力墻的剛度大幅下降，側(cè)向位移大幅增加。

本文在開洞位置保持不變的情況下，以不同開洞率的剪力墻為研究對象，運用ANSYS有限元分析軟件計算得出等效側(cè)移剛度，以及在相同軸壓比下水平均布荷載作用在剪力墻定點的位移。通過比較分析找出開洞對短肢剪力墻力學(xué)性能影響的規(guī)律。

1 非線性有限元分析

1.1 鋼筋混凝土有限元模型

通過ANSYS有限元分析軟件建立模型有3種方式，即分離式模型、整體式模型、組合式模型。本文選用分離式模型來建立混凝土有限元模型。分離式模型是把混凝土與鋼筋用2種不同的單元來進行處理，混凝土主要采用Solid單元；鋼筋是一種細長的材料，通常不考慮其橫向抗剪強度，可以將它作為線單元處理，主要采用Link單元。一般情況下，由于各種環(huán)境因素的影響，鋼筋混凝土?xí)_裂，導(dǎo)致鋼筋和混凝土之間協(xié)調(diào)性降低，產(chǎn)生粘結(jié)失效和滑移。相對于整體式模型，分離式模型的應(yīng)用較廣泛。

1.2 剪力墻的尺寸

模型的實際結(jié)構(gòu)為L型開洞短肢剪力墻現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，為計算方便，建立了1/2縮尺比例的有限元計算模型，試件的相似關(guān)系如表1所示。

表1 剪力墻的相似關(guān)系Table 1 Similar relationship for shear walls

剪力墻尺寸為1500 mm×700mm，厚度為100 mm；剪力墻配筋采用雙層雙向配筋，縱筋為126，箍筋為4@200；鋼筋保護層厚度為20 mm；混凝土強度等級采用C30。剪力墻截面配筋如圖1所示。

圖1 剪力墻配筋圖Fig.1 Shear wall reinforcement diagram

在L型短肢剪力墻結(jié)構(gòu)有限元計算模型中，現(xiàn)澆混凝土部分采用Solid 65[7]單元進行劃分，鋼筋部分選用Link 8[8]單元進行劃分。分析中假定鋼筋與混凝土之間不存在縫隙，不會產(chǎn)生相對滑移。

本文設(shè)計6個L型開洞短肢剪力墻，剪力墻的各參數(shù)如表2所示。

表2 剪力墻參數(shù)Table 2 Parameters of the shear walls

1.3 材料參數(shù)

在Solid 65單元中，混凝土材料破壞準(zhǔn)則選用WW五參數(shù)破壞準(zhǔn)則，用于判定混凝土材料的開裂和壓碎狀態(tài)；混凝土材料選用多線性隨動強化模型?；炷羻屋S應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，上升段根據(jù)相關(guān)規(guī)范[9]規(guī)定的公式求出，下降段則采用Hongnestad的處理方法求出，并有如下公式：

fc為混凝土軸心抗壓強度；

n為系數(shù)，當(dāng)其計算值大于2.0時，取值2.0；

fcu,k為混凝土立方抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值。

混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖2所示。

圖2 混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 The stress-strain curve of concrete

鋼筋采用HRB335屈服強度標(biāo)準(zhǔn)335 MPa。在ANSYS有限元分析中，一般情況下鋼筋看作理想彈塑性材料，鋼筋的本構(gòu)關(guān)系選用典型的雙線性模型，用斜直線來代替塑性階段及強化階段，斜直線斜率為彈性模量的1%，以此模擬鋼材的彈塑性階段雙線性隨動強化模型。屈服準(zhǔn)則遵守Von Mises屈服準(zhǔn)則及相應(yīng)流動法則。其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為線性關(guān)系，并有如下公式：

fy為材料的屈服強度。

鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。

圖3 鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 The stress-strain curve of steel bar

1.4 模型邊界條件和加載

在有限元分析中，假定剪力墻的底部（圖4中的A面）固定不動，即在剪力墻底部限制其6個方向上的自由度，剪力墻的頂部可以自由移動。在剪力墻頂部（圖4中的C面）按照設(shè)計軸壓比（軸壓比為0.1），一次性均勻施加豎向荷載N，而后在剪力墻頂部（圖4中的B面）x方向施加一個正向的水平荷載。其中豎向荷載的計算公式為

式中：u為軸壓比，非抗震地區(qū)，u=0.9；

A為截面面積；

fc為混凝土抗壓強度設(shè)計值。

模型邊界條件及網(wǎng)格的劃分如圖4～5所示。

圖4 邊界條件示意圖Fig.4 Schematics of the boundary condition

圖5 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.5 Schematics of the mesh

2 試驗結(jié)果及分析

有限元計算模型建立后，分別對SLW-1， SLW-2， SLW-3， SLW-4， SLW-5 五塊剪力墻試件的有限元計算模型頂部 軸正向施加均布荷載，荷載達到一定數(shù)值后保持不變。當(dāng)試件穩(wěn)定后，在剪力墻頂部x軸正向施加均布荷載，荷載采用單調(diào)加載方式，按事先設(shè)計好的荷載步不斷增加剪力墻面均布荷載直至剪力墻破壞。5塊剪力墻計算模型的每級荷載步荷載的增量完全相同，每級荷載增量為10 kN。有限元分析模型應(yīng)力計算結(jié)果采用云圖方式表達，它能清晰地反映剪力墻在全過程應(yīng)力分布的變化情況。

2.1 未開洞短肢剪力墻的破壞過程

根據(jù)試件在某一時刻荷載所得到的位移，未開洞的短肢剪力墻（SLW-1）的荷載-位移曲線圖如圖6所示。

圖6 SLW-1 荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curve of SLW-1

由圖6可知，未開洞的短肢剪力墻在54.32 kN時達到屈服，此時受壓側(cè)混凝土底部還未達到其抗壓強度，而受拉側(cè)的混凝土角部剛剛達到其抗拉強度，鋼筋受拉側(cè)縱筋和受壓側(cè)縱筋都有部分屈服，在達到屈服點之前的荷載位移曲線近似于直線。繼續(xù)施加荷載，剪力墻位移變化急劇增大，當(dāng)加至極限荷載107.43 kN時，剪力墻發(fā)生破壞，受拉側(cè)的混凝土破壞面增大，受壓側(cè)混凝土角部開始破壞，受拉側(cè)縱筋屈服區(qū)域明顯擴大，從屈服點到極限荷載階段，剪力墻所表現(xiàn)出來的荷載-位移曲線是一段弧線。繼續(xù)施加荷載，混凝土破壞面積進一步增大，縱筋受拉側(cè)的屈服區(qū)域進一步擴大。

試件在整個過程中的應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 剪力墻SLW-1受力過程應(yīng)力圖Fig.7 The stress nephogram of SLW-1

從受力角度來看，此剪力墻是典型的壓彎構(gòu)件，且此剪力墻屬于高剪力墻。由于剪力墻底部的彎矩比較集中，所以剪力墻底部的應(yīng)力最大，剪力墻破壞先從底部開始，呈彎曲破壞。

2.2 開洞對短肢剪力墻力學(xué)性能的影響

根據(jù)我國現(xiàn)行的規(guī)范[2]中規(guī)定，在剪力墻墻體上開洞的位置和大小會從根本上影響剪力墻的受力狀態(tài)和變形特點。為了研究開洞大小對剪力墻力學(xué)性能的影響，本文設(shè)計4塊開洞位置不變，開洞直徑分別為60, 90, 120, 150 mm的剪力墻（SLW-2, SLW-3, SLW-4, SLW-5），并與1塊未開洞的剪力墻（SLW-1）作對比試驗。開洞短肢剪力墻混凝土達到屈服點時，孔洞點附近的應(yīng)力云圖如圖8所示；剪力墻屈服后到達極限荷載發(fā)生彎曲破壞時的應(yīng)力云圖如圖9所示。

由圖8可知，不同開洞直徑的剪力墻在達到屈服點的應(yīng)力云圖相差不大。其都是剪力墻底部的應(yīng)力最大，此時受壓一側(cè)的混凝土底部還未達到其抗壓強度，而受拉側(cè)的混凝土角部剛剛達到其抗拉強度，鋼筋受拉側(cè)縱筋和受壓側(cè)縱筋都有部分屈服，在孔洞處還沒有產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

圖8 剪力墻屈服時的應(yīng)力云圖Fig.8 The stress nephogram of shear wall yield

由圖9可知，在達到極限荷載時，在剪力墻SLW-5孔洞處已經(jīng)產(chǎn)生較大的應(yīng)力；隨著荷載繼續(xù)增加，各剪力墻底部破壞面積增大，孔洞處的應(yīng)力持續(xù)增加；當(dāng)荷載增至94.82 kN時，SLW-5已經(jīng)完全破壞。

剪力墻SLW-5完全破壞時的應(yīng)力云圖如圖10所示，SLW-5完全破壞時其它剪力墻的應(yīng)力云圖如圖11所示。

圖10 SLW-5破壞時的應(yīng)力云圖Fig.10 The stress nephogram of SLW-5 damage

圖11 SLW-5完全破壞時其它剪力墻的應(yīng)力云圖Fig.11 The stress nephogram of other shear walls when SLW-5 damaged

2.3 不同試件力學(xué)性能對比分析

5塊試件的荷載-撓度曲線如圖12所示，其力學(xué)性能指標(biāo)如表3所示。

圖12 荷載-撓度曲線Fig.12 The load - deflection curve

從5塊不同剪力墻試件在屈服點、極限荷載、以及SLW-5完全破壞時的應(yīng)力云圖可以看出，當(dāng)5塊剪力墻未達到屈服點時，底部的應(yīng)力均最大，在孔洞處還未產(chǎn)生較大的應(yīng)力。隨著荷載繼續(xù)增加，孔洞處的應(yīng)力急劇增大，且開洞直徑越大，應(yīng)力越大，剪力墻底部也開始破壞，破壞從底部逐步向頂部發(fā)展。繼續(xù)施加荷載，當(dāng)荷載增至94.82 kN時，SLW-5最先完全破壞，其他剪力墻也都發(fā)生不同程度的破壞，直至荷載施加到107.43 kN時，未開洞的剪力墻才完全破壞。隨著開洞直徑的增大，剪力墻的承載性能相對減弱。

表3 力學(xué)性能指標(biāo)Table 3 The mechanical property index

由荷載-撓度曲線（圖12）和力學(xué)性能指標(biāo)（表3）可以看出，開孔洞降低了剪力墻抗彎曲剛度和破壞時的延性，這對結(jié)構(gòu)非常不利。同時，開孔洞使孔洞處的鋼筋屈服速度加快，由此降低了剪力墻的極限荷載，隨著開洞直徑的增加，剪力墻的極限荷載隨之降低。

3 結(jié)語

運用ANSYS進行鋼筋混凝土的有限元分析時，采用分離式模型可較好地模擬混凝土和鋼筋的力學(xué)性能，同時也能較好地模擬剪力墻孔洞處的破壞形態(tài)，計算結(jié)果收斂性也較好。

通過比較不同開洞直徑的短肢剪力墻模擬結(jié)果可知，在剪力墻上開洞降低了墻體的剛度，墻體承載性能降低。如果必須要在剪力墻上開洞，不宜開大洞。

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（責(zé)任編輯：鄧光輝）

Finite Element Analysis on Mechanical Properties of Short Pier Shear Wall with Openings Under Monotonic Loading

Liu Xing，Yang Xiaohua，Chen Duanyun，Lu Nan
（Schools of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In order to study the effect of the opening hole on mechanical properties of L shaped short pier shear wall, applies ANSYS finite element software to investigate the mechanical properties of short pier shear wall of different opening rates under the unchanged cross-sectional dimensions and reinforcement rates of the wall, and analyzes the bearing capacity and yield displacement. The simulated results show that the bearing capacity decreases with the openings rate increment and the bottom of the web as well as the opening position of the short pier shear wall are the weakest. Opening holes will reduce the mechanical properties of short pier shear walls under monotonic loading, and the opening diameter on short pier shear walls should not be too large.

short pier shear wall；openings rate；mechanical properties

TU312+.1

A

1673-9833(2015)02-0014-07

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.02.003

2015-01-14

湖南省科技廳計劃基金資助項目（2001TP4004-2），湖南工業(yè)大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金資助項目（CX1310）

劉 星（1991-）男，湖南長沙人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向為混凝土結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)計算方法，E-mail：416107079@qq.com