縱筋配筋率變化時十字形短肢剪力墻彈塑性分析

朱夢陽 張 強

(1.上海市建筑工程學(xué)校，上海 200241； 2.上海師范大學(xué)建筑工程學(xué)院，上海 201418)

縱筋配筋率變化時十字形短肢剪力墻彈塑性分析

朱夢陽1張 強2

(1.上海市建筑工程學(xué)校，上海 200241； 2.上海師范大學(xué)建筑工程學(xué)院，上海 201418)

運用FORTRAN語言編寫非線性分析程序，對5個鋼筋混凝土十字形短肢剪力墻結(jié)構(gòu)進行單調(diào)荷載作用下的彈塑性分析，比較了縱筋配筋率變化時，剪力墻的承載能力、剛度和延性變化情況，分析結(jié)果表明，隨縱筋配筋率的提高，結(jié)構(gòu)的承載力有所提高，而延性在一定范圍有所降低，結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)充分考慮該因素的特殊性，同時考慮承載力和變形能力的變化。

十字形短肢剪力墻，非線性分析，縱筋配筋率，承載力，變形能力

短肢剪力墻[1]這種結(jié)構(gòu)體系，適用于高層建筑，是以剪力墻結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合異形柱框架的特點。它的特點是能夠靈活地布置建筑平面，有良好的采光通風(fēng)的效果，具有質(zhì)量輕，地震作用小，能夠節(jié)省材料，降低造價等優(yōu)點。近年來研究短肢剪力墻成為學(xué)術(shù)界中的一項熱門課題。周雪峰等[2]基于有限元原理分析了混凝土強度等級、軸壓比、翼緣寬度和墻肢截面配筋率對T形短肢剪力墻構(gòu)件延性性能的影響。在工程設(shè)計中，應(yīng)合理選擇這些參數(shù)，使短肢剪力墻具有良好的延性，增強結(jié)構(gòu)的抗震能力。張強等[3]利用ANSYS軟件對7個剪力墻截面高厚比不同的十字形鋼筋混凝土短肢剪力墻進行彈塑性分析，得到剪力墻的承載能力、剛度和延性變化情況。張建新等[4]詳細論述了短肢剪力墻這一新型結(jié)構(gòu)體系目前常見的幾種結(jié)構(gòu)計算分析模型及其適用性，然后選用不同的分析模型和分析方法對同一個結(jié)構(gòu)進行計算，通過算例分析和比較不同模型計算結(jié)果存在差異的原因，最后提出了一些合理選取短肢剪力墻力學(xué)分析模型的適用性建議。李亞娥等[5]選用ABAQUS有限元分析軟件，對4個一般短肢剪力墻與7個加暗支撐的短肢剪力墻模型進行了受力性能研究和比較。

本文運用FORTRAN語言編寫非線性分析程序，對鋼筋混凝土十字形短肢剪力墻結(jié)構(gòu)進行模擬仿真加載試驗，得出短肢剪力墻的縱筋配筋率變化時對構(gòu)件的承載力和延性的影響，揭示該型短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的真實力學(xué)行為。

1 模型設(shè)計

本文是采用FORTRAN90編寫的鋼筋混凝土短肢剪力結(jié)構(gòu)非線性有限元分析程序。整個程序是由1個主程序和多個子程序組成，共有FORTRAN語句1 000多條。目前大多都是運用ANSYS有限元進行模擬仿真計算，在求解過程中需要耗費近1 h，而FORTRAN90程序的計算求解只需要幾秒鐘就能得到結(jié)果。運用程序計算能節(jié)省一定地計算時間，大大提高了運算效率。有限元程序設(shè)計的主要內(nèi)容為：輸入數(shù)據(jù)，求零時刻的單元剛度矩陣，組集成零時刻的總剛，形成總體荷載，用約束條件改造總剛與荷載向量，解方程求位移，求單元的抗力，輸出數(shù)據(jù)。本程序采用的是力加載的方法來研究十字形短肢剪力墻的非線性變化。程序的結(jié)構(gòu)流程圖如圖1所示。鋼筋混凝土十字形短肢剪力墻在5組不同縱筋配筋率的影響下，可得到構(gòu)件的極限荷載以及結(jié)構(gòu)的延性指標。在掌握材料本構(gòu)關(guān)系[6]的基礎(chǔ)上，以纖維墻元模型[7]為基礎(chǔ)，完成了鋼筋混凝土十字形短肢剪力墻模型，試件采用足尺尺寸。墻肢厚度為200 mm，試件長翼緣的寬度為1 240 mm，短翼緣的寬度為520 mm，墻高3 m，保護層厚度為20 mm。軸壓比選用0.3，分布鋼筋采用Φ6，試驗中的混凝土采用C30。程序試驗中變化十字形短肢剪力墻的縱筋配筋率，據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，縱筋配筋率分別選取0.76%，1.48%，2.4%，3.0%，3.65%，即縱筋分別采用Φ10，Φ14，Φ18，Φ20，Φ22。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 承載力分析

當縱筋配筋率變化時，試件的極限荷載和屈服荷載變化趨勢，如圖2所示。隨著十字形短肢剪力墻的縱筋配筋率的提高，試件在受拉區(qū)的抗拉強度會隨之提高。從圖2可以知道：試件的極限荷載以及屈服荷載也都呈現(xiàn)上升趨勢。十字形短肢剪力墻的承載力則會隨著縱筋配筋率的提高而提高。因此在滿足設(shè)計規(guī)范的條件和考慮經(jīng)濟因素的情況下可以通過提高縱筋配筋率來提高短肢剪力墻的承載能力。

2.2 剛度分析

1)剛度分析。圖3為不同縱筋配筋率的試件的荷載和等效退化剛度系數(shù)之間的曲線圖。圖中的曲線從下往上分別對應(yīng)的配筋率是0.76%，1.48%，2.4%，3.0%，3.65%。

從圖3中可以看出，剛度退化系數(shù)隨著縱筋配筋率的增加而增大。縱筋配筋率雖然不同，但曲線的走勢相近。在具有相同荷載的條件下，配筋率較大的試件比配筋率較小的試件剛度大。

2)變形能力分析。在圖4荷載—位移曲線圖中可以看到構(gòu)件的骨架曲線在初期的彈性階段時，以大銳角上升，幾近直線，構(gòu)件的剛度及承載力在初期顯示出不甚明顯的變化。之后，曲線上升趨緩，承載能力有緩慢上升的趨勢。

延性系數(shù)用于反映結(jié)構(gòu)抗震性能中一個重要的指標。延性增大也就意味著地震荷載減小。屈服位移是用幾何作圖法來確定的。當縱筋配筋率變化時試件的最大位移，延性系數(shù)變化情況，如圖5，圖6所示。

從圖5中可以知道，剪力墻的極限位移會隨著縱筋配筋率地提高而呈緩慢上升的趨勢。由圖6中可知，當短肢剪力墻的縱筋配筋率小于3%時，延性系數(shù)隨其提高而減小，當縱筋配筋率在超過3%時，隨著配筋率的提高，延性系數(shù)基本不變。

一般說來，滯回曲線包圍的面積越是飽滿，則結(jié)構(gòu)的耗能能力越大。這里取總耗能的一部分，在第一象限所包面積的骨架曲線作為比較各試件耗能能力的一個參考指標。試件的耗能能力情況見圖7。隨著縱筋配筋率的增大，其耗能能力會顯著增大。

3 結(jié)語

1)通過對5組不同配筋率的鋼筋混凝土十字形短肢剪力墻構(gòu)件進行對比，針對其承載能力(即屈服荷載和極限荷載)分析比較可知，增大縱筋配筋率可以提高構(gòu)件的承載力。隨著配筋率的增加，十字形短肢剪力墻的屈服荷載和極限荷載都得到了提高。2)從延性系數(shù)和耗能能力變化情況來看，當配筋率小于3%時，延性系數(shù)隨著縱筋配筋率的增大而降低，當配筋率超過3%時，延性系數(shù)基本不變；耗能能力則隨配筋率的增大而顯著提高。3)結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)考慮縱筋配筋率影響的特殊性[8]，在實際工程應(yīng)用中需要將結(jié)構(gòu)的承載能力和變形能力結(jié)合起來綜合考慮。短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)不同于一般剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要結(jié)合住宅的使用功能，使整體結(jié)構(gòu)剛?cè)徇m當，采取一定的抗震措施，注重結(jié)構(gòu)設(shè)計，以達到結(jié)構(gòu)設(shè)計符合住宅的功能要求和經(jīng)濟性要求。

[1] 容柏生.高層住宅中的短肢剪力墻體系[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1997,18(6)：14-19.

[2] 周雪峰，劉玲華，劉西民.T形短肢剪力墻的延性分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2012，38(4)：27-30.

[3] 張 強，陶澄澄，楊可可，等.高厚比變化時十字型短肢剪力墻彈塑性分析[J].上海師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011,40(1):63-67.

[4] 張建新，胡興福，李青寧.短肢剪力墻力學(xué)分析模型對比及其選擇研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2014，40(3)：31-34.

[5] 李亞娥，張瑞玲，田孟魯，等.“一”字形短肢剪力墻加暗撐時的仿真分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報，2014，26(1)：130-133.

[6] 鄒 翾.復(fù)雜截面鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的非線性分析研究[D].上海：同濟大學(xué)，2004.

[7] 張 強.基于纖維模型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力非線性全過程分析若干關(guān)鍵問題的研究[D].上海：同濟大學(xué)，2008.

[8] 王建祥，胡景龍，李雙喜，等.L形短肢剪力墻有限元的仿真試驗[J].石河子大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，27(3)：345-349.

Analysis on cross shaped short pier shear wall elastic-plastic with the change of longitudinal reinforcement ratio

Zhu Mengyang1Zhang Qiang2

(1.ShanghaiArchitectureandEngineeringInstitute,Shanghai200241,China;2.ArchitectureandEngineeringInstitute,ShanghaiNormalUniversity,Shanghai201418,China)

Using the FORTRAN language writer nonlinear analysis program, this paper made elastic-plastic analysis on five reinforced concrete cross shaped short pier shear wall structure under monotonic load, compared with the longitudinal reinforcement ratio changes, the bearing capacity of shear wall, the changes situation of stiffness and ductility, the analysis results showed that, with the increasing of longitudinal reinforcement ratio, the bearing capacity of structures increased, while the ductility decreased in a certain range, in structure design should fully consider the particularity of the factors, simultaneously considering the variation of bearing capacity and deformation capacity.

cross shaped short pier shear wall, nonlinear analysis, longitudinal reinforcement ratio, bearing capacity, deformation ability

2015-01-05

朱夢陽(1985- )，女，碩士，助理講師，二級建造師； 張 強(1975- )，男，副教授

1009-6825(2015)08-0067-02

TU313

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