短肢剪力墻結構扭轉效應有限元分析

周 磊，楊曉華，盧學臣

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

短肢剪力墻結構扭轉效應有限元分析

周 磊，楊曉華，盧學臣

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

利用ANSYS有限元分析軟件，建立三層短肢剪力墻空間結構有限元模型，通過改變控制參數和受力條件，研究軸壓比、荷載偏心距和節點區箍筋配筋率對短肢剪力墻結構抗扭承載能力的影響，并將計算結果與一個結構模型試驗結果進行對比。計算結果表明：當軸壓比小于等于0.5時，短肢剪力墻結構抗扭承載能力隨軸壓比增加而增大，當軸壓比超過0.5以后，結構抗扭承載能力隨軸壓比增加而降低；荷載偏心距增大，扭轉效應加強，結構承載能力降低，扭矩增加加速了連梁端部受拉破壞，外邊緣結構的連梁端部受到彎剪扭復合作用，是結構抗震的薄弱位置，建議加強配筋；適當增加節點區水平箍筋配筋率能有效提高結構抗扭承載能力。

短肢剪力墻空間結構；扭轉效應；軸壓比；偏心距；節點區箍筋配筋率

0 引言

短肢剪力墻結構是一種介于異形柱和剪力墻之間的結構形式，具有結構布置靈活、節能等優點，被廣泛應用于民用住宅、賓館客房等建筑中，因此，研究其抗震性能具有重要意義。結構的地震反應是多維的[1]，由此而引起的結構扭轉效應是造成結構破壞的一個重要原因[2]。在短肢剪力墻結構抗震性能方面，對單個墻肢構件或對單個節點構件的研究較多[3-9]，而利用三維空間結構模型對在水平地震荷載作用下結構節點抗扭轉的研究較少[10-11]，由此得出的相關結論并不能完全說明短肢剪力墻節點扭轉的破壞機理。

本文建立一個三層短肢剪力墻空間結構有限元模型，對受扭轉作用下的短肢剪力墻空間結構的墻肢節點進行研究，通過改變控制參數和受力條件，研究軸壓比、荷載偏心距、節點區箍筋配筋率對短肢剪力墻結構抗扭承載能力的影響。

1 模型建立

1.1 結構原型

為便于同結構試驗結果進行對比，本文建立的有限元分析模型完全參照一個典型結構試驗模型，該試驗模型是按實際工程結構設計的1/4縮尺比例的兩跨三層短肢剪力墻空間結構模型，短肢剪力墻肢厚比為5。結構模型基本尺寸如圖1所示，單位為mm。

圖1 結構試驗模型Fig. 1 Test model of structures

1.2 有限元分析模型

采用ANSYS有限元軟件建立短肢剪力墻結構分析模型，并對結構進行非線性有限元分析?？紤]到短肢剪力墻中鋼筋較多，且分布比較均勻的特點，本文采用整體式方式建立有限元分析模型，劃分單元采用含筋的SOLID65混凝土分析單元，認為鋼筋以均勻分布的形式含在混凝土中。

結構非線性分析中混凝土本構關系采用多線性等向強化模型。根據GB50010—2010《混凝土結構設計規范》[12]規定的混凝土單軸應力-應變關系公式，用一系列數據點擬合混凝土的本構關系，混凝土材料特性為：抗壓強度設計值fc=11.9 N/mm2，抗拉強度設計值ft=1.27 N/mm2，泊松比v=0.2。采用雙線性等向強化模型模擬鋼筋的本構關系，鋼筋材料特性為：彈性模量E=2×105MPa，抗拉強度設計值fy=300 N/mm2，泊松比v=0.3。為保證結構非線性分析中結果收斂，關閉了含鋼筋SOLID65混凝土分析單元壓碎開關，通過設置剪力傳遞系數來考慮混凝土出現裂縫時的剪切力損失。整體模型采用六面體映射劃分，建立的有限元分析模型如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig. 2 A fi nite element model

1.3 邊界條件的確定

根據結構試驗模型的具體試驗情況和實際工程工作狀態，對建立的有限元分析模型底部所有節點施加固定端約束，即限制有限元分析模型底部所有單元節點沿3個坐標軸方向上的位移為0 mm，在頂層距中軸線400 mm處施加循環往復的水平集中荷載。

利用建立的有限元分析模型，通過改變不同的控制參數來作如下研究：

1）根據工程實際受力情況，在頂層屋面施加一組固定不變的豎向面荷載，然后對頂層連梁單元不同節點施加循環往復的水平集中荷載。由于施加水平荷載的節點不同，荷載偏心距發生改變，對整體結構施加的扭矩也發生改變，以此來研究扭矩大小對短肢剪力墻整體結構受力性能的影響。

2）施加單一偏心循環往復荷載，根據不同的軸壓比對頂層屋面施加不同的豎向均布壓力，以此研究不同軸壓比對短肢剪力墻結構抗扭承載力的影響。

3）根據工程實際受力情況，在頂層屋面施加一組固定不變的豎向面荷載，然后對頂層連梁單元固定節點施加循環往復的水平集中荷載，再改變短肢剪力墻和連梁節點區域水平箍筋配筋率，研究不同箍筋配筋率對結構扭轉抗震性能的影響。

2 結果分析

2.1 有限元分析結果與試驗結果的比較

在有限元分析模型的頂層連梁上施加單調逐級增加的偏心循環往復水平集中荷載，集中荷載施加點偏中間對稱軸400 mm。計算得到頂層平面左上角點處水平側移和左右上角點水平位移差與施加外力的關系曲線，并將計算結果與已經完成的結構模型試驗結果進行比較，比較結果如圖3和圖4所示。

圖3 左上角點水平位移曲線Fig. 3 Horizontal displacement curves

圖4 左右上角點水平位移差值曲線Fig. 4 Horizontal displacement difference curves

由圖3和圖4可知，有限元計算分析結果與結構模型試驗結果變化趨勢一致。在加載中前期，計算值與試驗值比較接近，結果吻合程度較高，這說明建立的有限元分析模型可以較好地模擬短肢剪力墻結構的水平抗扭性能的分析。由于建立的有限元分析模型是理想均勻模型，沒有考慮實際結構中材料物理性質的差異，所以在同樣的水平外力作用下，結構模型試驗測量到的位移值大于有限元分析模型的計算值。

2.2 軸壓比對抗震性能的影響

軸壓比[12-13]大小是影響短肢剪力墻結構抗震性能的重要因素之一。針對所建立的有限元結構分析模型，在各層樓面板和屋面板上施加不同的面荷載。這些面荷載最終傳遞到短肢剪力墻上，再根據短肢剪力墻承受的豎向荷載和橫截面積換算成軸壓比。然后在有限元結構模型的頂層樓蓋對應節點上施加偏心距為400 mm的循環往復水平集中荷載，外荷載逐級加入，每級增加20 kN，直到有限元計算網格發生破壞而中止。計算得到的最大水平循環外荷載與短肢剪力墻軸壓比之間的關系如圖5所示。

圖5 不同軸壓比下的結構極限荷載Fig. 5 Ultimate load of structure under different axial compression ratios

由圖5可知，結構的抗扭承載能力隨著軸壓比的遞增呈現先增加后減小的變化趨勢。當軸壓比不超過0.5時，軸壓比的增加可以有效地提高結構的極限承載能力；當軸壓比大于0.5以后，軸壓比的增加對結構抗震反而不利，結構的抗扭承載能力隨之減小。

圖6給出了具有不同軸壓比的有限元結構分析模型的頂層平面角點在200 kN循環往復水平荷載作用下的最大水平位移。

圖6 不同軸壓比時結構頂層角點水平位移Fig. 6 Ultimate displacement of structure under different axial compression ratios

由圖6可知，同等荷載條件下，軸壓比增大，結構側移減小，延性減弱，軸壓比增加可以縮小短肢剪力墻結構水平方向上的變形。結合圖5和圖6可以得出，JGJ3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》[13]給出的短肢剪力墻軸壓比限值為0.45是比較合理的。

2.3 偏心距對抗震性能的影響

在軸壓比為0.3，偏心距分別為400, 750, 1 100, 1 500 mm時，對模型進行數值模擬，研究扭矩對結構的破壞情況及其承載力的影響，模擬結果如表1所示。

表1 偏心距對結構受力性能的影響Table 1 In fl uence of eccentricity on the structure performance

從表1可以看出，結構破壞情況都表現為①軸線位置連梁端部單元破壞。偏心距增大，扭轉效應加強，結構承載能力降低，扭矩的增加使得連梁端部受拉破壞加速，結構未能充分發揮承載能力。外邊緣結構的連梁端部受到彎剪扭復合作用，是結構抗震的薄弱位置，建議加強配筋。

2.4 節點區箍筋配筋率對抗震性能的影響

JGJ149—2006《混凝土異形柱結構技術規程》[14]中，對異形柱節點核心區水平箍筋的間距和配筋率作了限定。本文針對建立的有限元分析模型，通過改變節點區域箍筋間距來調整配筋率，研究節點區域箍筋配筋率對短肢剪力墻結構水平抗扭承載能力的影響，設定軸壓比為0.3，計算結果如表2所示。

表2 節點區箍筋配筋率對結構承載能力的影響Table 2 In fl uence of node-area stirrup reinforcement ratio on the structure’s bearing capacity

從表2中可以看出，當節點區水平箍筋配筋率從0.37%提高至0.48%時，其承載力提高約9%，后期繼續增加配筋率，承載力不再提高。因此，在低配箍率時適當提高短肢剪力墻結構節點核心區箍筋配筋率，對提高結構抗震性能是有利的。

3 結論

ANSYS有限元分析，可以較好地模擬偏心水平循環荷載作用下，短肢剪力墻結構的受力情況，通過前面的研究，可得出如下結論。

結構的抗扭承載能力隨著軸壓比的遞增呈現先增加后減小的變化趨勢，當軸壓比小于等于0.5時，軸壓比的增加可以有效地提高結構的極限承載能力。

偏心距增大,結構承載能力降低,扭矩的增加使得連梁端部受拉破壞加速,外邊緣結構的連梁端部受到彎剪扭復合作用，是結構抗震的薄弱位置，建議加強配筋。

在低配箍率時，適當增加節點區水平箍筋配筋率能提高結構抗扭承載能力。當節點區水平箍筋配筋率達到一定值后，再提高節點區水平箍筋配筋率，其水平抗扭承載力不再提高。

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（責任編輯：鄧光輝）

Finite Element Analysis of the Torsional Effect of Short-Limb Shear Walls

ZHOU Lei，YANG Xiaohua，LU Xuechen
（School of Civil Engineering of Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

PA fi nite element model of a three-layered short-limb shear wall space structure has been established by using ANSYS software. By modifying the controlling parameter and stress condition, a research has been conducted on the in fl uence of axial compression ratio, load eccentricity and stirrup reinforcement ratio in node areas on the torsional bearing capacity of short-limb shear walls, followed by a comparison between the experimental results and those of a structural model test. The conclusion shows that: the torsional bearing capacity of short-limb shear walls increases with the increase of axial compression ratio with its value at or under 0.5, while the torsional bearing capacity of short-limb shear walls decreases with the increase of axial compression ratio with its value above 0.5. The torsional effect has been strengthened and the structural bearing capacity has been reduced with the increase of the load eccentricity. The increase of the torque increases the tensile failure of the end of external structure of coupling beams under ending shear torsion, which makes the external structure a vulnerable place for seismic resistance that requires reinforcement. An appropriate increase in stirrup reinforcement ratio will effectively improve the torsional bearing capacity of structures.

short limb shear wall space structure；torsional effect；axial compression ratio；load eccentricity；stirrup reinforcement ratio in node areas

U398+.2

A

1673-9833(2017)02-0028-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.02.005

2016-11-31

周 磊（1992-），男，江蘇無錫人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為高層建筑結構，E-mail：690032140@qq.com