鋼筋混凝土雙連梁剪力墻結構受力性能分析

季海峰

(山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

連梁是剪力墻結構中墻肢傳力的重要聯系構件，其具有一定的強度、剛度及變形能力，對整體墻肢承載力及抗震性能影響較為顯著。在建筑結構設計中，由于連梁的約束作用，使得墻肢具有足夠的剛度及承載力，在地震發生時，連梁常作為第一道防線首先屈服，在梁端部產生塑性鉸，進而增加結構的阻尼性能。然而在實際工程設計中，連梁抗剪承載力常常不滿足要求，需要采取一定措施降低連梁內力。在諸多方法中，較為理想的當屬雙連梁結構體系[1-3]。

近年來，雙連梁體系受力性能也得到了較多研究。朱炳寅[4]對雙連梁等效計算問題展開研究，提出抗彎剛度等效及抗剪截面面積等效兩種方案。李奎明等[5]通過試驗對高性能混凝土雙連梁剪力墻展開研究，探討不同連梁形式對結構承載力、延性及耗能能力影響，研究證實了高性能混凝土雙連梁剪力墻具有良好的抗震性能。丁永君等[6,7]對高強鋼筋高強混凝土雙連梁結構展開研究，結果表明雙連梁結構延性及耗能性能更好。姜忻良等[8]對提出雙連梁與單連梁轉角剛度等效的方法，并基于有限元分析驗證了該方法的有效性。陳云濤[9]對雙連梁幾種等效原則進行了分析，并與實際計算結果展開對比。曹楊等[10,11]對雙連梁短肢剪力墻結構隨機損傷演化過程展開研究，分析了結構受力過程中均值、方差及變異系數變化規律。胥玉祥等[2]對雙連梁受力性能展開分析，結果表明雙連梁方案可以顯著降低連梁內力，有利于改善高層建筑受力性能。

本文研究旨在基于上述已有研究成果，基于有限元數值模擬進一步對雙連梁剪力墻結構體系受力性能展開研究，對比不同連梁形式剪力墻結構的破壞形態、承載力、延性變化特點，為雙連梁剪力墻結構體系設計應用提供相應參考。

1 計算模型

1.1 模型尺寸及配筋

本文選取三層聯肢剪力墻作為計算模型，分別建立單連梁的聯肢剪力墻結構計算模型SW-1和雙連梁的聯肢剪力墻計算模型DW-1。為提高計算效率，模型計算時采用縮尺模型，具體模型尺寸如圖1所示。模型中，墻體總高度為2 200 mm，墻體厚度為100 mm，兩側墻肢長度為600 mm，中間連梁寬度為400 mm。SW-1中連梁寬度為100 mm，高度為250 mm，連梁箍筋為φ6@80，縱筋為4φ12，腰筋為2φ8；DW-1中連梁寬度為100 mm，高度為120 mm，連梁箍筋φ6@80，縱筋為4φ8。墻肢豎向鋼筋為雙層φ6@80，水平鋼筋為φ6@80。墻肢兩側暗柱截面尺寸為100 mm×100 mm，縱筋為4φ8，箍筋為φ8@80。混凝土強度等級為C45，墻體軸壓比為0.15。

1.2 材料模型

鋼筋的應力—應變關系采用理想彈塑性模型，在ANSYS有限元分析時，采用雙線性等向強化模型BISO，鋼筋屈服強度fy=300 MPa，彈性模量ES=2.0×105MPa，泊松比νs=0.3。

混凝土強度等級為C45，軸心抗壓強度fc=29.6 MPa，軸心抗拉強度ft=2.51 MPa，泊松比νc=0.2。采用彈塑性本構關系，混凝土應力—應變關系參照《混凝土結構設計規范》[12]給出的計算式，如下所示：

(1)

(2)

其中，n為方程上升段參數；α為方程下降段參數；fc為混凝土軸心抗壓強度；εc為混凝土峰值應變。

依據上述關系，建立混凝土應力—應變關系見圖2。

1.3 有限元模型建立

鋼筋混凝土結構有限元分析時通常有三種建模方式，即整體式、分離式、組合式。在ANSYS分析中，通常采用整體式和分離式，本文分析中采用分離式模型，即將結構中鋼筋及混凝土采用不同的單元處理。模型中，混凝土采用Solid65單元，該單元可以很好的模擬混凝土的開裂和壓碎；鋼筋采用Link8單元。建立模型時，不考慮鋼筋與混凝土的粘結滑移，鋼筋與混凝土單元共用節點。三層聯肢剪力墻SW和DW有限元模型如圖3所示。

1.4 荷載

模型建立后，對模型底部施加固定約束。在模型加載梁頂面施加均布荷載，使得墻肢軸壓比為0.15。在加載梁左側逐步施加水平荷載，加載子步為10 kN，直至結構破壞。

2 有限元計算結果分析

2.1 荷載位移曲線

在往復加載作用下，獲得單連梁和雙連梁模型的荷載—位移骨架曲線如圖4所示。從圖4對兩種剪力墻模型的骨架曲線分析可知，在加載的初始階段，隨著位移的增大，荷載迅速增加，荷載與位移呈現線性增大，呈現出明顯的彈性特征；此后，隨著位移的進一步增加，位移增大幅度逐漸放緩，試件逐漸達到屈服狀態，荷載增速開始放緩，曲線的斜率逐漸降低，直至曲線進入下降段。

2.2 承載力及延性系數

單連梁剪力墻模型和雙連梁剪力墻模型數值模擬計算結果如表1所示。從表1數據可知，雙連梁剪力墻的屈服位移、峰值位移、極限位移較單連梁剪力墻提升11.8%～30.2%，雙連梁剪力墻的延性系數較單連梁剪力墻有所提高；雙連梁剪力墻的屈服荷載較單連梁剪力墻下降25.7%，雙連梁剪力墻的峰值荷載較單連梁剪力墻下降19.5%。可見，采用雙連梁剪力墻模型后，結構構件的承載能力出現下降，但同時其延性得到提高。

表1 單連梁剪力墻和雙連梁剪力墻荷載、位移及延性系數

2.3 裂縫發展及破壞形態

通過調閱不同受力階段，單連梁和雙連梁剪力墻裂縫發展情況，可知單連梁與雙連梁的裂縫發展及破壞過程較為相似。此處以單調加載的單連梁裂縫發展及破壞過程為例，闡述模型裂縫發展及破壞過程。

圖5所示為單連梁剪力墻在開裂荷載、屈服荷載及極限荷載三個階段模型裂縫分布情況。從裂縫發展過程可知，隨著荷載的增加，初始裂縫首先在二、三層連梁兩個對角位置出現，此后左側墻肢和右側墻肢的底部先后開始產生裂縫。此后，上述裂縫均不斷擴展，直至連梁和墻肢的縱筋相繼屈服，左側墻肢底部混凝土開始出現壓碎，整體模型逐漸進入極限承載階段，直至結構出現破壞。

3 結語

1)本計算中，在往復加載作用下，單連梁和雙連梁剪力墻模型的荷載—位移骨架曲線變化趨勢基本相同，均分為彈性階段、屈服階段和極限階段。

2)本計算結果表明，雙連梁剪力墻的屈服位移、峰值位移、極限位移較單連梁剪力墻提升11.8%～30.2%，表明雙連梁剪力墻模型有著較好的延性及變形能力；雙連梁剪力墻的屈服荷載較單連梁剪力墻下降25.7%，雙連梁剪力墻的峰值荷載較單連梁剪力墻下降19.5%，表明采用雙連梁的剪力墻模型承載能力有所下降，在結構設計中應考慮此類因素的影響。

3)本計算結果表明，單連梁與雙連梁的裂縫發展及破壞過程較為相似，初始裂縫首先在二、三層連梁兩個對角位置出現，此后左側墻肢和右側墻肢的底部先后開始產生裂縫，直至連梁和墻肢的縱筋相繼屈服，左側墻肢底部混凝土開始出現壓碎，整體模型逐漸進入極限承載階段。