鋼筋混凝土剪力墻拉剪受力性能試驗

衛凱華

（陜西保利房地產開發有限公司，陜西西安 710000）

本文進行理論分析，用有限元分析計算方法對鋼板混凝土剪力墻的拉剪受力性能進行分析，對墻體高寬比、墻體配鋼形式、軸壓比、鋼板強度、鋼板厚度等參數對其受力性能的影響。 通過八片按照縮尺比例設計的不同形式的鋼-混凝土組合剪力墻低周反復荷載的試驗，進行合理的分析受拉混凝土剪力墻的破壞特征、滯回特性、承載力、剛度和耗能能力。

0 引言

在早些年，高層建筑結構的縱橫比不大，并且剪力墻很少出現拉力等問題，近年來，隨著建筑物高度的增加，結構縱橫比逐漸增加，并且高層建筑物底部的剪力墻產生的抵抗傾覆力矩的軸向張力也更大。在抵消了由自重（例如其自身重量）產生的軸向壓力之后，剪力墻可能仍會處于受力狀態。此時，剪力墻承受拉力，剪力和彎矩的共同作用，受力狀態復雜，對結構安全性產生不利影響。

文獻調查表明，現有拉彎構件的研究和成果主要基于梁柱構件。對于剪力墻，其主要研究軸向壓縮和偏心壓縮情況下的受力性能，對于偏心拉力下的混凝土受力墻的受力極限、形態的變化和破壞的理論研究都未成熟。

1 鋼板混凝土剪力墻受力性能試驗初步設計

本文將介紹11 片按照縮尺比例設計的不同形式的鋼-混凝土組合剪力墻低周反復荷載試驗的試件初步設計，包括試件的主要設計參數、配筋，基于實驗室的條件確定初步的量測內容，加載裝置等。

其目的是考察鋼板-混凝土剪力墻在低周反復荷載作用下的開裂、裂縫發展、破壞過程及破壞形態；研究配鋼形式、高寬比等因素對鋼板-混凝土組合剪力墻的力學性能的影響；獲取墻體的初始剛度、開裂荷載、開裂位移、屈服荷載、屈服位移、極限荷載、極限位移、滯回特性等；與數值仿真結果進行對比分析鋼板-混凝土組合剪力墻的力學性能。

試件設計是根據《建筑抗震試驗方法規程》（JGJ 101—1996）進行設計。通過擬靜力試驗對試體進行低周反復加重，將試體從彈性的狀態直至破壞的狀態，獲得試件的回復力計算模型等參數，可以較為全面地評價試件的力學性能；試驗觀測的主要內容是試件在豎直及水平方向進行加重，在豎向及水平方向的作用下的側向位移、墻體平面內的轉角，及鋼筋、鋼板、型鋼在荷載作用下的應變進行觀測，同時進行觀察試件的破壞過程與形態，記錄試件的裂縫發展狀態；應變片的布置主要是在鋼筋及鋼構件上，根據受力的原則，墻體底部彎矩最大，所以在端柱縱筋底部布置應變片；位移計的布置在加載的平面內，墻頂、墻體中部，墻體底部各布置一個，并在下部混凝土可能壓碎處布置一個；裂縫觀測時是用放大鏡查找裂縫，并用鉛筆記錄裂縫，裂縫旁邊表明負載的大小。進行試件的初步配筋設計，并確定基本的量測內容與方式，為試驗方案的完善提供良好的基礎。

2 1000mm 普通鋼筋混凝土剪力墻計算

設計參照《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3—2010），按照非抗震設計，端柱縱筋：2×10B16，端柱箍筋A6@100，豎向分布鋼筋：A6@100，橫向分布鋼筋：A6@100，拉結筋 A6@200。

端柱體積配箍率：

端柱縱筋配筋率：

分布筋的配筋率：

端柱寬度取200mm：

3 鋼板混凝土剪力墻受拉性能非線性有限元分析

使用ABAQUS 軟件對剪力墻試件進行有限元模擬分析，預測測試中剪力墻試件的力學性能，并與測試數據進行比較和分析；即通過有限元分析和理論計算獲得的數據進行比較，可以改善測試計劃，使測試運行更加順暢，并獲得更多的數據供選擇。

實驗研究和數值模擬是研究混凝土結構的主要方法。盡管實驗研究結果是直觀的，但大多數比例模型都是縮小的，與實際結構的機械效果仍然不同，測試周期長且昂貴。另外，有限元分析克服了上述限制性。隨著計算能力的發展，提高及有限元理論的發展，有限元分析方法的精度越來越高，已成為混凝土結構的重要研究方法，是對實驗研究和工程設計的補充和互相確認。

3.1 本構關系

本構關系是材料的應力和應變之間的關系。在有限元模擬中，各種材料的本構關系是內力，變形和結構相對關系之間的重要聯系。因此，可以建立準確反映材料機械性能的本構模型，這對于提高精度非常重要，有很大的影響力，這也是建模的關鍵點之一。

混凝土的本構關系：

混凝土由幾種不同材料的混合物制成。它是一種不均勻的脆性材料，壓縮和拉伸行為區別很大，抗壓強度大而抗拉強度小，它們之間存在一個數量級的差距。ABAQUS 提供三種模擬混凝土的材料模型：彌散裂縫模型（Smeared crack model）、塑性損傷模型（Damaged plasticity model）和脆性破裂模型（Brittle cracking model）。脆性的收斂性較差；彌散裂縫模型適用于單調加載、動力分析，特別適用于壓應力較小的分析，且只能用于ABAQUS/Standard 分析模塊；塑性損傷模型適用于往復荷載或單調荷載作用下的結構分析，ABAQUS/Standard 和ABAQUS/Explicit 模塊均可使用該本構模型，且收斂性較彌散裂縫模型更好一些。

由于本文所做的試驗研究是試件的低周反復荷載試驗，因此本文中的有限元分析采取的本構關系采取混凝土塑性損傷模型。在調查了多種公式后采用基于能量等價原理的簡化算法進行計算。

3.2 接觸模擬

圖1 基于能量等價原理的簡化算法

在該模型中，存在鋼筋與混凝土、鋼板與混凝土、混凝土與剛性塊之間的接觸關系。鋼板與鋼筋均嵌入在混凝土內部，試驗試件采取在鋼板上均勻焊接螺栓的方法，因此本文的模擬認為鋼板與混凝土之間無滑移，粘結可靠。

3.3 荷載與邊界條件、單元類型選取、網格劃分

根據實驗條件，共有兩種荷載，一個是位移控制的水平方向荷載，另一個是豎直方向的荷載。試驗的邊界條件是底部螺栓固定，因此模擬邊界條件為底部完全固結。同時，為了避免加載點產生局壓破壞，通過Coupling 約束關系，將加載面耦合到一點進行加載。

對于混凝土，采用八節點減縮積分的三維實體單元（C3D8R）模擬，具有沙漏控制；鋼筋采用兩節點線性三維桿單元（T3D2）模擬，只能承受軸向荷載，沒有剛度，與鋼筋在理論分析時的受力模式相符；鋼板同樣采用C3D8R 單元模擬，將鋼板作為殼單元（SC8R，8 節點四邊形平面內通用連續殼，采用減縮積分與沙漏控制），經過試算與C3D8R 實體單元的結果相差無幾。

通過適當的分區，劃分網格，由于沒有特別關注的區域，整體網格沒有加密的區域，混凝土的網格尺寸大致在50mm，鋼筋的網格大小在10mm 左右，鋼板的網格大小約為25mm。

4 結果與分析

圖2 1000mm 試件荷載位移曲線

從圖2 中可以看出，不同高度的試件，加載初期的剛度差異不大，之后剛度有明顯差異，由于1000mm 試件的破壞模式均為受剪破壞，承載力差異最為明顯，連續鋼板混凝土剪力墻最高，其次為分段鋼板混凝土剪力墻，最低為鋼筋混凝土剪力墻。承載力極限對應的位移也有相似趨勢，連續鋼板混凝土剪力墻數值最高，但型鋼混凝土剪力墻的極限荷載對應位移小于鋼筋混凝土試件。

從峰后反應看，由于鋼板或型鋼的存在，大大提高試件的延性，承載力下降速度較普通的鋼筋混凝土試件慢一些，能在較大的位移時保持較高的承載力。

5 結語

本文進行有限元的計算與分析，進行試件在單調荷載下的模擬，為試驗方案的完善提供一定的依據，并與理論計算承載力進行比對分析，同時對試驗沒有涉及的參數進行有限元分析，獲得各參數對于鋼板混凝土剪力墻受力性能的影響，使得整個研究工作更加的完整，對于鋼板混凝土剪力墻的力學性能有更透徹的研究。