不同軸壓比下高強(qiáng)鋼筋混凝土T形短肢剪力墻的延性分析

張帥彬，關(guān)群 （合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引言

隨著我國(guó)城市建設(shè)的逐步推進(jìn)，限于土地供應(yīng)不足、住房緊缺的情況，我國(guó)出現(xiàn)了越來(lái)越多的高層建筑，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在這些建筑中又占有最大比重。為了滿足抗震承載力要求和軸壓比的限值，很多設(shè)計(jì)師會(huì)加大柱子的截面尺寸，這將嚴(yán)重影響房屋的空間使用布局和整體美觀效果。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)而言，有抗側(cè)剛度小，水平位移較大、施工復(fù)雜、人工成本高且施工受雨雪天氣影響較大等缺點(diǎn)，于是在剪力墻的基礎(chǔ)上衍生出了一種介于剪力墻體和異形柱的新型短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。由于短肢剪力墻的起步較晚，所以目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于高強(qiáng)鋼筋作用下的高強(qiáng)混凝土短肢剪力墻的工程經(jīng)驗(yàn)十分有限[1-3]。加上目前國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范和理論研究成果尚不完善，所以在地震區(qū)域和臺(tái)風(fēng)區(qū)域全短肢剪力墻的應(yīng)用十分受限，而T形短肢剪力墻作為一種常用的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，目前國(guó)內(nèi)研究還比較缺乏[4]，因此文章通過對(duì)T形短肢剪力墻配置尚未研究的HRB600MPa級(jí)鋼筋進(jìn)行分析。

1 模型信息

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ途鶠?∶2等比例縮放，墻體的高度均為1400mm，混凝土保護(hù)層的厚度為20mm，截面高度依次為500mm、700mm，剪力墻的截面尺寸及鋼筋配置如圖1所示。

圖1 構(gòu)件尺寸及截面配筋圖

1.2 模型的建立及材料本構(gòu)關(guān)系

為了提高有限元非線性分析的精確度，本文采用了鋼筋和混凝土分離式建模，選擇了Embedded技術(shù)來(lái)模擬鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)，對(duì)于鋼筋的本構(gòu)模型選擇了USTEEL02鋼筋本構(gòu)模型，這些對(duì)于非線性分析中混凝土達(dá)到極限荷載之后的脫落等引起的綜合退化效果具有很好的模擬作用。對(duì)于混凝土本構(gòu)采用的是本課題組基于張勁法推導(dǎo)出的適用于ABAQUS的混凝土塑性損傷因子的公式，如（1）、（2）所示，本文推導(dǎo)出來(lái)的混凝土本構(gòu)如圖2所示。

圖2 混凝土本構(gòu)關(guān)系

1.3 有限元模型的可行性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證T形短肢剪力墻的鋼筋本構(gòu)、混凝土本構(gòu)、混凝土的塑性損傷因子、試件邊界條件和加載制度設(shè)定的合理性，選取文獻(xiàn)[6]中編號(hào)為 TH-0.1（簡(jiǎn)稱T-1）配置了高強(qiáng)鋼筋的混凝土剪力墻進(jìn)行數(shù)值模擬。文獻(xiàn)[6]中T形剪力墻的翼緣寬度為800mm，翼緣厚度為100mm，腹板寬度為1000mm，腹板厚度為100mm。試驗(yàn)的軸壓比為0.1，在模擬中利用在試件頂部建立耦合點(diǎn)RP-1模擬試驗(yàn)加載時(shí)加載梁均勻傳遞力的作用，并在耦合點(diǎn)處施加低周反復(fù)荷載，利用底部施加BC-2完全固定模擬試件底座的效果。鋼筋本構(gòu)采用清華大學(xué)開發(fā)出的PQ-Fiber子程序中的USteel模型，這樣輸出的滯回曲線更加符合實(shí)際情況。

模擬計(jì)算的滯回曲線對(duì)比如圖3所示，各個(gè)荷載和位移對(duì)比如表1所示，可以發(fā)現(xiàn)在屈服階段，正負(fù)向屈服位移均在5%左右，屈服荷載均在4%左右。在加載極限階段，正負(fù)向位移均在7%左右，正負(fù)向荷載均在3%。說(shuō)明兩者各個(gè)階段的結(jié)果都比較接近，也驗(yàn)證了文中模擬方法和模型建立的準(zhǔn)確性。

圖3 驗(yàn)證組構(gòu)件滯回曲線對(duì)比圖

實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比表 表1

2 試驗(yàn)方案和構(gòu)件參數(shù)

文中T形短肢剪力墻采用與實(shí)際1∶2等比例縮放的試件進(jìn)行模擬，試件的最終模型如圖4所示，構(gòu)件的參數(shù)如表2所示。

圖4 T形短肢剪力墻最終模型

構(gòu)件主要參數(shù) 表2

3 模擬結(jié)果分析

骨架曲線就是指在低周反復(fù)荷載試驗(yàn)中，將荷載-位移曲線中的滯回環(huán)的峰值點(diǎn)連接而成的包絡(luò)曲線。骨架曲線是反復(fù)荷載作用下每次循環(huán)達(dá)到最大峰值點(diǎn)的軌跡曲線，是反映構(gòu)件耗能能力、延性、剛度、屈服荷載和極限承載力的重要指標(biāo)。

骨架曲線的三個(gè)特點(diǎn)是：在位移加載控制的過程中，加載初期骨架曲線呈現(xiàn)線彈性發(fā)展的階段，此時(shí)的荷載-位移增長(zhǎng)呈現(xiàn)一種直線增長(zhǎng)；隨著位移繼續(xù)施加，荷載的增長(zhǎng)速度逐漸變緩，直至達(dá)到構(gòu)件的極限承載能力，此時(shí)為骨架曲線的強(qiáng)化階段；隨著位移的繼續(xù)施加，變形不斷增大，構(gòu)件的荷載卻在逐漸降低，此時(shí)為構(gòu)件的強(qiáng)度退化階段。

T形短肢剪力墻在低周反復(fù)荷載作用下腹板端部荷載最大，此處混凝土最先破碎，鋼筋也最先屈服。因?yàn)樵诘卣鹱饔孟拢馗拱宥瞬窟M(jìn)行的正向加載對(duì)于整個(gè)試件來(lái)說(shuō)更加薄弱，也是整個(gè)試件最先破壞的部位，所以文中對(duì)正向受力側(cè)的骨架曲線進(jìn)行研究。通過模擬，不同參數(shù)條件下構(gòu)件骨架曲線如圖5～圖7所示。

圖5 軸壓比組骨架曲線

圖6 混凝土強(qiáng)度組骨架曲線

圖7 縱筋強(qiáng)度組骨架曲線

①對(duì)比構(gòu)件DZ500-1、DZ500-2、DZ500-3和DZ500-4可以看出，各軸壓比的構(gòu)件都有明顯的線彈性階段、強(qiáng)化階段和強(qiáng)度退化階段。構(gòu)件DZ500-1的軸壓比為0.2，DZ500-2的軸壓比為0.3，DZ500-3的軸壓比為0.4，DZ500-4的軸壓比為0.5，構(gòu)件DZ500-4相對(duì)于DZ500-1等試件的初始剛度更大，更早進(jìn)入屈服階段，同時(shí)DZ500-4相對(duì)于DZ500-3的峰值點(diǎn)更大，DZ500-3的峰值點(diǎn)大于DZ500-2，DZ500-2的峰值點(diǎn)大于DZ500-1，同時(shí)峰值點(diǎn)越大的試件下降段的斜率也越大。綜上可得，隨著軸壓比的提高，骨架曲線的峰值點(diǎn)會(huì)提高，同時(shí)達(dá)到峰值點(diǎn)之后的曲線下降段斜率會(huì)增大，延性更差。

②通過圖6可以發(fā)現(xiàn)，C40和C60強(qiáng)度等級(jí)構(gòu)件曲線的上升段和下降段速率基本一致，而C80強(qiáng)度等級(jí)構(gòu)件的曲線速降段速率明顯增大，這說(shuō)明高強(qiáng)混凝土?xí)哟髽?gòu)件破壞的脆性，而且HRB600級(jí)鋼筋對(duì)C60級(jí)別以下的混凝土具有很好的普適性。

③暗柱縱筋強(qiáng)度組各構(gòu)件的骨架曲線如圖7所示，構(gòu)DQ700-2的峰值荷載和極限承載力都要小于DQ700-3，DQ700-2的峰值荷載和極限承載力相較于DQ700-1都有顯著提升，同時(shí)可以看出在達(dá)到峰值荷載之后三條曲線的剛度退化速率沒有明顯差別，只有在達(dá)到破壞位移之后縱筋強(qiáng)度較大的DQ700-3試件發(fā)生了曲線速率的陡降。

綜上可得，縱筋強(qiáng)度的提高可以明顯提高構(gòu)件的峰值荷載和極限承載力。三個(gè)構(gòu)件的極限位移角基本相同，所以構(gòu)件的變形幾乎相同。分析可得，暗柱縱筋強(qiáng)度的提高，尤其是高強(qiáng)鋼筋的使用可以有效提高構(gòu)件的極限荷載和承載能力。

4 構(gòu)件的延性分析

自20世紀(jì)60、70年代以來(lái)，以R.Park和T.Paulay為首的一批國(guó)外學(xué)者們?cè)诮Y(jié)合具體地震災(zāi)害實(shí)例和已有理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，提出了不同延性抗震設(shè)計(jì)理論，我國(guó)也對(duì)結(jié)構(gòu)延性做了不少的研究，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究通過三種延性系數(shù)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)延性性能。本文基于短肢剪力墻位移-曲率關(guān)系，結(jié)合上文ABAQUS有限元模擬結(jié)果計(jì)算屈服位移、極限位移等相關(guān)數(shù)據(jù)，從而求得位移延性系數(shù)是結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)，足夠的延性能夠保證短肢剪力墻在地震作用下產(chǎn)生較多的裂縫而不倒塌，從而保證構(gòu)件具有足夠的安全性。根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞過程中延性的大小，可分為脆性破壞和延性破壞。相對(duì)于在達(dá)到峰值荷載之后就突然破壞的脆性破壞，延性破壞在結(jié)構(gòu)達(dá)到最大荷載之后隨著荷載降低仍能承受較大的位移變形。9片試件的荷載、位移和延性數(shù)值如表3所示，延性的大小是結(jié)構(gòu)在地震作用下破壞形態(tài)的重要參數(shù)指標(biāo)[7]。

試件各階段荷載、位移和延性系數(shù)表 表3

①通過對(duì)比構(gòu)件DZ500-1、DZ500-2、DZ500-3和 DZ500-4的各個(gè)階段的承載能力可以發(fā)現(xiàn)，軸壓比越大的試件屈服位移越小，說(shuō)明構(gòu)件進(jìn)入屈服階段所發(fā)生的變形越小，DZ500-4的極限位移也明顯小于DZ500-3，DZ500-2的極限位移也明顯大于DZ500-3，DZ500-1的極限位移也明顯大于DZ500-2，同時(shí)構(gòu)件的延性也隨著軸壓比的增大逐漸降低。綜上可得，隨著軸壓比的增大，構(gòu)件的屈服位移和極限位移越小，構(gòu)件的延性更差，尤其是在高軸壓比的情況下，延性降低地更迅速。

②通過對(duì)比DH700-1、DH700-2、DH700-3可以發(fā)現(xiàn),混凝土強(qiáng)度等級(jí)更高的DH700-3的極限承載能力和峰值荷載明顯高于DH700-2，混凝土強(qiáng)度等級(jí)較低的DH700-1的峰值荷載和極限承載能力小于DH700-2，但是DH700-3到達(dá)峰值荷載后的曲線斜率更大，DH700-2的曲線斜率次之，DH700-1的曲線斜率最小，在達(dá)到破壞后的階段，發(fā)現(xiàn)DH700-1、DH700-2和DH700-3三個(gè)試件的斜率基本相同，剛度退化速率相近。綜上可得，混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高可以提高構(gòu)件的極限承載力和峰值荷載，但是同時(shí)會(huì)對(duì)構(gòu)件的延性有一定的降低。

③對(duì)比700組試件，DQ700-1的延性 為 2.28，DQ700-2 的 延性 為 2.32，DH700-2的延性為2.43，這是因?yàn)楦邚?qiáng)混凝土的存在需要高強(qiáng)鋼筋的協(xié)同作用才更好地發(fā)揮作用。綜上可得，配置高強(qiáng)混凝土的構(gòu)件，隨著縱筋強(qiáng)度的提高，構(gòu)件的延性也會(huì)隨之改善。

5 結(jié)論

通過ABAQUS有限元軟件對(duì)不同軸壓比、配筋率、鋼筋強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度和剪跨比條件下的端部加強(qiáng)的T形短肢剪力墻進(jìn)行分析，并與未進(jìn)行端部加強(qiáng)的T形短肢剪力墻進(jìn)行對(duì)比，得到如下結(jié)論。

①軸壓比雖然可以提高構(gòu)件的承載能力，但是同時(shí)也會(huì)顯著減低構(gòu)件的延性，尤其是高軸壓比對(duì)于構(gòu)件延性的降低更加明顯，因此在實(shí)際施工中應(yīng)該對(duì)軸壓比限值進(jìn)行嚴(yán)格控制。

②鋼筋強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度都可以提高構(gòu)件的承載能力，但是高強(qiáng)混凝土的使用必須配置高強(qiáng)鋼筋，否則會(huì)對(duì)構(gòu)件的延性造成明顯的降低；通過對(duì)延性的分析，可以看出配置高強(qiáng)鋼筋的短肢剪力墻綜合抗震性能要遠(yuǎn)好于普通鋼筋混凝土剪力墻。

③700組試件的延性相較于500組試件有明顯降低，說(shuō)明相同軸壓比下，T形短肢剪力墻的延性受剪跨比的影響，在實(shí)際工程中應(yīng)該對(duì)構(gòu)件的剪跨比進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)計(jì)。