暗支撐“一”字形短肢剪力墻非線性分析

張 俊 英

(中國中建設計集團有限公司山西分公司，山西 太原 030006)

y=αax+(3-2αa)x2+(αa-2)x3。

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y=1.2x+0.2x6。

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暗支撐“一”字形短肢剪力墻非線性分析

張 俊 英

(中國中建設計集團有限公司山西分公司，山西 太原 030006)

依托ABAQUS有限元分析軟件，以“一”字形短肢剪力墻較薄弱的抗震構件作為研究對象，建立等效模型并模擬分析了該結構在不同軸壓比、不同鋼筋配筋率情況下的承載、骨架曲線等關鍵抗震性能指標，并與試驗結果進行了對比，得出了軸壓比和配筋率對暗支撐“一”字形短肢剪力墻的抗震性能影響敏度較高的結論。

暗支撐，剪力墻，ABAQUS，抗震性能

0 引言

鋼筋混凝土剪力墻暗支撐廣泛應用于已建與在建土木工程中，對于其抗震性能與力學特征，國內外學者做了大量研究[1,2]，如北京工業大學曹萬林教授等已完成了大量的抗震試驗，試驗表明暗支撐在剪力墻中能起到銷栓作用，限制了斜裂縫發展，加了暗支撐的剪力墻上有較高的延性和耗能能力。

本文利用ABAQUS有限元軟件鋼筋混凝土帶暗支撐“一”字形截面短肢剪力墻試驗，通過與試驗結果對比，以驗證軟件模擬的可行性，進而分析帶暗支撐“一”字形短肢剪力墻的抗震性能。同時考慮不同軸壓比及不同暗支撐鋼筋配筋率的條件下，“一”字形暗支撐剪力墻結構非線性數值模擬計算。

1 模型建立

1.1 本構關系

本文選用GB 50010—2010混凝土結構設計規范中規定的混凝土本構模型，混凝土單軸受壓的應力—應變可按下列公式確定：

當x≤1時:

y=αax+(3-2αa)x2+(αa-2)x3。

當x>1時：

其中，fc,r為混凝土的單軸抗壓強度代表值，其值可取fc或fcm；εc,r為單軸抗壓強度相應的混凝土峰值壓應變；αa，αd為混凝土單軸受壓應力—應變曲線下降段的參數值。混凝土單軸受拉應力—應變表達式，即：

當x≤1時：

y=1.2x+0.2x6。

當x>1時：

其中，ft,r為混凝土的單軸抗拉強度代表值,其值可取ft或ftm；εt,r為與單軸抗拉強度代表值相應的混凝土峰值拉應變；αt為混凝土的單軸受拉應力—應變曲線下降段參數值。

經過計算可以得出C30混凝土的單軸受壓應力—應變關系曲線、受拉應力—應變關系曲線如圖1，圖2所示。

常用的鋼筋的應力—應變曲線有完全彈塑性的雙直線模型、描述完全彈塑性加硬化的三折線模型和描述彈塑性的雙斜線模型。這里選用第一種模型，表達式如下：

當εs≤εy時，σs=Esεs。

當εy≤εs≤εs,h時，σs=fy。

其中，fy為鋼筋強度設計值;εy為鋼筋屈服應變;εs,h為鋼筋強化點起點應變;Es為鋼筋彈性模量。

1.2 模型參數

采用ABAQUS/Explicit模塊，以文獻其中一個鋼筋混凝土帶暗支撐“一”字形截面短肢剪力墻模型為例，該模型如圖3所示，與原型的縮尺比為1∶2。模型中剪力墻采用細石混凝土制作，設計強度為C30。鋼筋力學性能見表1。暗支撐縱筋為4φ8。

表1 鋼筋力學性能

以分離式方法建立了對應的有限元計算模型，混凝土剪力墻采用C3D8R模擬，鋼筋采用Truss單元。試驗中對模型先施加軸壓比為0.2的軸力，然后再施加水平低周反復荷載，加載點距基礎表面的高度為900 mm。而數值模擬采用荷載控制和位移控制兩種加載方式，首先施加軸力，建模中為了避免應力集中，在施加軸向力處增加了剛性墊塊，然后再施加水平位移。

2 計算結果

模擬結果：

1)在單調荷載作用下，剪力墻兩個墻角的受力情況有明顯不同，受力區域有向暗支撐方向移近的趨勢。表現為在受拉一側的剪力墻墻角應力較小；受壓一側的剪力墻墻角應力較大，出現應力集中現象。

由此可知，這是因為在試件頂端施加的軸向力在剪力墻體內產生的壓應力與由水平推力引起的拉應力相互抵消的原因。

2)剪力墻體底部暗支撐鋼筋應力比分布鋼筋先進入屈服狀態，說明暗支撐可以有效地加強墻體抵抗水平荷載的第一道防線，能有效提高抗震性能。

3 與實驗結果對比

由非線性有限元計算分析所得到的荷載位移曲線與試驗中提取出來的骨架曲線的對比如圖4所示。

可以看出ABAQUS模擬暗支撐剪力墻是合理可行的。在加載前期，試驗曲線與計算曲線基本吻合；在加載后期，特別是到屈服階段以后，由于屈服剛度比實驗值稍大，以致計算分析出的位移值偏小，而承載力與試驗值大體相同，分析其原因主要有以下三點：

1)復雜應力狀態下，在ABAQUS中，混凝土的實際破壞形態沒有得到塑性損傷模型較好的反應；

2)試驗與有限元計算的加載方式不同，計算時單調水平加載，而試驗是低周反復加載；

3)ABAQUS中忽略了加載后期鋼筋的粘結滑移情況。

4 影響因素的數值計算和分析

4.1 軸壓比

在其余參數均相同的條件下，以軸壓比分別為0.1，0.2，0.4實行有限元非線性解析。其位移荷載曲線如圖5所示。結果表明：隨著軸壓比的增大，暗支撐剪力墻的抗剪承載力有顯著的提高，不過其延性有所下降。說明軸壓比對暗支撐剪力墻的抗震性能影響很大。

4.2 暗支撐配筋率

分別考慮剪力墻暗支撐鋼筋為φ8，φ10，φ12的情況。圖6為不同暗支撐鋼筋時的荷載位移曲線。從圖6可以看出，隨著暗支撐鋼筋率的增大，帶暗支撐剪力墻的承載力顯著提高，延性也有所增強。同時，受力區域向暗支撐傾角逼近的趨勢也愈加明顯。

5 結語

1)采用分離式有限元模型對帶暗支撐一字形短肢剪力墻進行了靜力非線性數值模擬。與試驗結果的對比表明，在加載前期，試驗曲線與計算曲線基本吻合；在加載后期，特別到屈服階段以后，由于屈服剛度比實驗值稍大，以致計算分析得出的位移值偏小，而承載力與試驗值大體相同。同時剪力墻的受力區域有向暗支撐傾角逼近的趨勢。

2)在其余條件不變的情況下，軸壓比越大，暗支撐剪力墻的承載力提高越顯著，但是延性有所下降。

3)在其余條件不變的情況下，隨著暗支撐配筋率的增大，暗支撐剪力墻的承載力提高顯著，并且延性也有所增強。

[1]曹萬林，張建偉.帶暗支撐低矮剪力墻抗震性能試驗及承載力計算.土木工程學報，2004，37(3):44-51.

[2]曹萬林，董宏英.鋼筋混凝土帶暗支撐雙肢剪力墻抗震性能試驗研究.建筑結構學報，2004，25(3):22-28.

[3]王金昌，陳頁開.ABAQUS在土木工程中的應用.杭州：浙江大學出版社，2006.

[4]曹萬林，楊興民.鋼筋混凝土帶暗支撐一字形截面短肢剪力墻抗震性能試驗研究.世界地震工程，2004，20(4):30-35.

[5]GB 50010—2010，混凝土結構設計規范.

Nonlinear analysis of I-shaped short pier shear wall with concealed bracings

Zhang Junying

(ShanxiBranch,ChinaConstructionEngineeringDesignGroupCorporationLimited，Taiyuan030006,China)

The paper investigates the relatively weak seismic system components of I-shaped short pier shear wall based on ABAQUS software. The components’ equivalent model are established, which are used to analyze their key seismic specification such as bearing capacity and skeleton curve, under different axial compression ratio and reinforcement proportion of the concealed bracings. Comparison of simulation results and experiments indicates that axial compression ratio and reinforcement proportion of the concealed bracings are main factors that influence the seismic specification of I-shaped short pier shear wall.

concealed bracings, shear wall, ABAQUS, seismic behavior

1009-6825(2015)01-0047-02

2014-10-24

張俊英(1979- )，女，工程師

TU398.2

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