基于有限元分析談框剪結構力學性能的影響因素

摘 要：文章利用非線性有限元軟件WCOMD對框架-剪力墻試件進行模擬分析，根據試件分別在單調加載及水平往復加載時的荷載-位移曲線進行比較，從混凝土的強度等級入手，對影響框架-剪力墻結構力學性能的因素進行了討論，為框剪結構的研究和工程設計提供參考。

關鍵詞：框架-剪力墻結構；有限元分析；力學性能

1 概述

近年來，國內外眾多學者的很多研究和設計規范中關于剪力墻結構設計的相關規定表明，剪力墻結構的抗震性能與多種因素有關，荷載分布（如截面剪跨比、軸壓比）、幾何尺寸（如高寬比、截面形狀）、材料強度（如混凝土的強度、各個部位的配筋形式和強度）。框剪結構結合了框架結構和剪力墻結構，在研究上比剪力墻結構更為復雜，關于框架-剪力墻結構整體的抗震性能的影響因素的研究很少。文章通過有限元分析軟件從結構材料性能入手，探討這些因素是否對框架-剪力墻力學性能產生影響。

2 有限元軟件介紹及試件概要

東京大學混凝土研究室開發的鋼筋混凝土結構物的分析程序WCOMD基于混凝土相關的許多實驗和理論驗證結果，運用高精度的構成規則，可高精度地進行生成裂縫的各類鋼筋混凝土結構物的二維非線性動力分析/靜力分析。

本軟件主要是針對鋼筋混凝土而設計，特別是其在混凝土實驗室研究出的混凝土本構關系模型成果顯著，其準確度不僅考慮了日本在內，而且也包含考慮了其他海外國家混凝土本構關系的情況，因此文章選用WCOMD模擬分析。

2.1 模型設置

為了探討混凝土強度對裝配式框-剪結構體系的受力性能的影響，建立一個一榀雙層單跨的裝配式框架-剪力墻結構的有限元數值模擬進行對比分析。在有限元軟件中建立試件模型，取邊長100mm的正方形為一個網格的大小，由此建立有限元模型。

為了研究混凝土強度的差異是否對試件的力學性能造成影響，所以我們在模擬時需要輸入模擬的不同部位的混凝土抗壓強度值即可。在設置時，在保證其他條件相同的情況下，RC1與RC2的墻的混凝土強度值有差別，RC1的采用C30，RC2采用C40。

2.2 加載方式

（1）單調加載

（2）水平往復加載模擬的加載制度分兩階段進行，第一階段是在兩個小柱頭頂面中心處各施720kN的軸壓力，第二階段在試件頂層梁跨中的鋼板中心處，施加水平方向的循環往復力。設置每個分析步加載（或卸載）位移為0.31mm，每級進行兩個往復循環加載，直到試件最終破壞。

3 模擬結果分析及其他影響因素

通過WCOMD對有限元模型用兩種加載方式加載（單調加載和水平往復加載），再將試件的荷載-位移曲線及荷載-相對變形角曲線進行比較，從混凝土的強度入手，分析并討論其對框架-剪力墻結構抗震性能的影響。

3.1 模擬結果對比分析

如圖1所示，在單調加載條件下，通過荷載-相對變形角曲線可以看出RC2的承載力也有所提高，RC2的剛度要比RC1大些。RC1的最大位移略大些，二者的延性相差不大。其他相關的研究表明在合理的配箍下，使用高強度混凝土的剪力墻將提高由壓區混凝土所產生的抗剪承載力。此外，使用高強度混凝土有助于提高構件的開裂荷載，減少裂縫寬度。

如圖2所示，在水平往復加載條件下，通過荷載-相對變形角曲線可以看出，RC2的剛度相對于RC1有所提高。RC2的承載力也有所提高，但不是很明顯。R1的最大位移略大些，二者的延性變化不大。

3.2 其他各因素對混凝土框架-剪力墻力學性能的影響

綜上可以看出，混凝土強度對框剪結構的力學性能產生影響，另根據其他文獻提供的研究結果表明，還有以下因素會對框剪結構的力學性能有影響：

剪力墻厚度：在其他參數保持不變的情況下，隨著剪力墻厚度的增加，屈服位移逐漸降低。

軸壓比：在其他參數保持不變的情況下，隨著結構的軸壓比的提高，屈服位移顯著增加。

縱筋配筋率：在其他參數保持不變的情況下，隨著剪力墻縱筋配筋率的提高，框剪構件屈服位移略有增加。

剪跨比：大量的研究結果表明，剪跨比是影響框剪結構抗剪承載力、破壞形態、延性及耗能性能的重要因素之一。

4 結束語

框架-剪力墻結構的抗震設計中，連接節點的優化設計固然重要，但是材料及尺寸作為結構的重要屬性，它的優化需要更多的研究和關注。在設計中要綜合考慮經濟性和安全性的需求，最大程度地優化結構，從而使結構在地震作用下發揮最大的效能。不足的是，還需要收集更多的試驗結果來分析各參數對框架-剪力墻結構的影響，從而提出方便實際工程應用的結論。

參考文獻

[1]雷磊.直接基于位移抗震設計方法在剪力墻結構中的應用與研究[D].華南理工大學，2005.

[2]GB50011-2010.建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3]李健.基于材料應變的鋼筋混凝土剪力墻變形性能指標研究[D].華南理工大學，2013.

[4]GB50010-2010.混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.