型鋼混凝土剪力墻有限元力學性能研究

余 濤,馬中原

(1.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司,武漢 430071;2.中信建筑設計研究有限公司,武漢 430077)

1 設計概況

以某換流站高端閥廳為例進行研究,由于結構的特殊性,剪力墻只在翼緣承受豎向荷載,而剪力墻的腹板不承受豎向荷載[1-4]。加載分為兩個方向,一組沿剪力墻腹板方向加載,另一組沿翼緣方向加載,模型尺寸如圖1所示,剪力墻高為1 200 mm。

2 單元類型的選擇

ANSYS軟件中,SOLID65單元是用于模擬鋼筋混凝土的實體單元,用其實體性能來模擬混凝土,用其加筋性能來模擬鋼筋的作用[5];采用LINK8單元模擬鋼筋,該單元僅承受軸向力作用;SHELL181單元來模擬型鋼,并認為型鋼的腹板與翼緣為剛性連接。

3 本構關系

1)混凝土本構模型 ANSYS軟件中有很多非線性材料的本構模型,適用于混凝土的本構主要有MISO(多線性等向強化模型)和MKIN(多線性隨動模型)。通過實例對比,兩種模型的計算結果相差不大。選用MKIN多線性隨動模型,該模型可以使用下降段。

2)鋼材本構模型 鋼筋和型鋼均采用理想彈塑性模型本構模擬。

4 有限元模型的建立

1)網格劃分

建立的型鋼混凝土剪力墻模型各種材料網格劃分如圖2所示,型鋼、鋼筋與混凝土分別采用不同的單元,所有材料的單元尺寸均為100 mm。

2)邊界條件及荷載施加

型鋼混凝土剪力墻模型底部完全剛接,荷載施加分兩步進行。第一步,通過軸壓比得到型鋼混凝土剪力墻模型截面的軸力,換算出相應均布荷載的大小,施加在加載梁的頂部截面上;第二步,將型鋼混凝土剪力墻加載梁側面截面上的有限元節點進行耦合,使所選截面上所有節點的位移同步,最后在主節點上施加水平荷載。

5 有限元計算結果

型鋼混凝土剪力墻模型沿腹板方向加載數值模擬過程,經歷了彈性、塑性和破壞三個階段。

1)彈性階段

在此階段,由于水平荷載較小,模型整體變形不大。剪力墻翼緣兩端以及腹板底部應力先后達到開裂值,說明混凝土發生開裂現象,剪力墻混凝土應力如圖3所示。此階段鋼筋和型鋼都還未達到屈服應力,因此無明顯應變。

2)塑性階段

當水平荷載繼續增大,剪力墻腹板底部縱筋和型鋼均達到屈服,模型沿腹板受拉方向加載(反向加載)已經屈服,此時模型混凝土應力如圖4(a)所示。當剪力墻翼緣底部縱筋和型鋼達到屈服應力時,判定模型沿腹板受壓方向加載(正向加載)已經屈服,此時模型混凝土應力如圖4(b)所示。繼續進行加載,可以觀察到開裂應力面積不斷向上擴展,且該應力區域在腹板部分呈斜線分布,表明模型腹板中部和上部不斷開裂,出現斜裂縫,混凝土裂縫分布如圖5所示。此時剪力墻鋼筋及型鋼應力如圖6和圖7所示。由圖6、圖7可知,正向加載時首先是翼緣中部的鋼筋和型鋼先發生屈服,而翼緣兩端的鋼筋及型鋼屈服較晚。

3)破壞階段

水平荷載加載至P=590 kN左右時,剪力墻整體變形逐漸增大,混凝土達到開裂值的區域不斷增大,表明混凝土出現明顯破壞,且剪力墻翼緣底部混凝土達到極限受壓應力,表明此處混凝土被壓碎。

6 結 語

使用ANSYS軟件,采用分離式方法,建立型鋼混凝土剪力墻有限元模型,并且在建模時,單元共用節點,忽略粘結滑移對模型承載力的影響,由計算結果可知:沿各個方向加載的型鋼混凝土剪力墻有限元模型的受力情況共分為三個階段。在彈性階段,型鋼混凝土剪力墻模型整體變形較小;進入塑性階段,剪力墻端部鋼筋和型鋼先后發生屈服,模型整體變形增大;破壞階段,模型混凝土開裂區域不斷擴大,受壓區混凝土達到極限壓應力,結構發生破壞。