新配筋方案聯(lián)肢剪力墻的有限元仿真分析

王新黎，劉清山

(河南大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南開封 475004)

新配筋方案聯(lián)肢剪力墻的有限元仿真分析

王新黎，劉清山

(河南大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南開封 475004)

鋼筋混凝土聯(lián)肢剪力墻具有較好的抗震性能，是現(xiàn)代高層結(jié)構(gòu)中常用的結(jié)構(gòu)形式，而洞口連梁是墻肢之間的傳力紐帶，其強度、剛度和變形性能決定聯(lián)肢剪力墻的抗震性能。因此設(shè)計高延性、良好塑性耗能的小跨高比連梁聯(lián)肢剪力墻是國內(nèi)外研究人員至今有待解決的問題之一。本文基于劉清山等人的試驗研究，用ABAQUS非線性分析了沿連梁截面高度配置分層封閉箍筋，并在箍筋頂、底部縱筋靠近墻肢1/4梁高的長度范圍內(nèi)套上PVC套管，且墻肢底部約束邊緣構(gòu)件采用分段配箍、墻肢端部1/4墻寬度范圍內(nèi)縱筋外部套上PVC套管的新配筋方案。分析結(jié)果表明，新配筋方案不僅施工簡便，結(jié)構(gòu)的受剪承載力、延性和變形也有所提高。

鋼筋混凝土； 聯(lián)肢剪力墻； 小跨高比連梁； 非線性分析

聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)作為同時抵抗豎向力和水平力的構(gòu)件，被現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)所經(jīng)常使用，其表現(xiàn)形式為剪力墻上沿豎向開有一列或多列較大的洞口，多出現(xiàn)于框架-剪力墻和框架-核心筒結(jié)構(gòu)中[1]。有時出于結(jié)構(gòu)上和建筑上的需求，洞口連梁的跨高比不得不偏小，這樣就會形成跨高比在0.5～2.5之間的小跨高比連梁[2]，其作用剪力與作用彎矩之比很大，名義剪應(yīng)力也較高，與跨高比較大的普通相比，其受力和變形性能都有很大的差別。為了保證高延性和良好塑性耗能的抗震性能的要求，本文基于劉清山、王英俊和竇勇[3-5]的研究分析了一種聯(lián)肢剪力墻的新配筋方案，即沿連梁截面高度配置分層封閉箍筋，并在箍筋頂、底部縱筋靠近墻肢1/4梁高的長度范圍內(nèi)套上PVC套管進行無粘結(jié)處理，且在墻肢底部約束邊緣構(gòu)件采用分段配箍、墻肢端部1/4墻寬度范圍內(nèi)縱筋外部套上PVC套管進行無粘結(jié)處理，取代普通連梁配箍形式。這種新配筋方案聯(lián)肢剪力墻不僅施工簡便，也提高了剪力墻結(jié)構(gòu)的延性和變形，且受剪承載力也提高了。

1 模型理論依據(jù)

地震作用下，鋼筋混凝土聯(lián)肢剪力墻的洞口連梁是墻肢之間的傳力紐帶。國內(nèi)外靜力和動力實驗[6-9]結(jié)果都已證明連梁的強度、剛度和變形性能對聯(lián)肢剪力墻的抗震性能有很大的影響。所以連梁的設(shè)計是保證延性剪力墻的關(guān)鍵，而墻肢的安全又是結(jié)構(gòu)裂而不倒的重要保證，二者是密切相關(guān)的。

連梁的破壞形式可分為彎曲型破壞、彎曲剪切型破壞和剪切型破壞三種。其中有抗震設(shè)防要求的連梁不允許在縱筋屈服之前出現(xiàn)剪切破壞及其他破壞形式，隨著跨高比的減小，連梁由彎曲破壞逐漸轉(zhuǎn)向彎剪破壞甚至剪切破壞。為了使連梁耗散地震能量的能力達(dá)到最大，國內(nèi)外學(xué)者進行了很多實驗研究[6-9]，各種配筋方案連梁均有不同的優(yōu)缺點。

2006年，西安建筑科技大學(xué)[3]提出了分段封閉箍筋連梁的配筋，這種新配筋方案連梁是在彈性有限元分析得到的主壓、拉應(yīng)力跡線和軟化桁架模型的啟發(fā)下提出的。由于沿連梁截面高度配置了三層箍筋，每層箍筋的拉力傳遞給構(gòu)造鋼筋，并在此處得到平衡，從而傳遞給混凝土的拉力明顯降低，這就減少了其軟化程度[10]，提高了桁架-拱模型中斜壓桿的承載力。王英俊和竇勇[4-5]在分層配箍的基礎(chǔ)上，采用局部無粘結(jié)技術(shù)，分別將連梁頂、底部縱筋靠近墻肢1/4梁高的長度范圍和墻肢端部1/4墻寬度范圍內(nèi)縱筋外部套上PVC套管進行改進。當(dāng)增加套管以后，雖然在受荷初期容易產(chǎn)生裂縫，但由于混凝土不受縱筋的拉伸，在接近承載力階段降低了混凝土的軟化現(xiàn)象，連梁和墻肢的抗剪承載力和延性提高了。

2 ABAQUS非線性有限元仿真分析

2.1 剪力墻結(jié)構(gòu)有限元模型

為了對比新配筋方案聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)與普通配筋聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)受力性能的差異，本文以一個實際工程為實例，普通配筋采用實際工程的設(shè)計參數(shù)，新配筋除了箍筋采用分層配箍和采用局部無粘結(jié)外，其他參數(shù)均與普通配筋聯(lián)肢剪力墻相同，剪力墻邊緣構(gòu)件采用T形截面，連梁采用矩形截面，兩個試件的配筋情況如表1，試件尺寸及配筋形式如圖1。

2.2 材料的本構(gòu)模型

混凝土的本構(gòu)模型，采用ABAQUS提供的混凝土損傷塑性模型，混凝土損傷塑性模型的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[11]給出的混凝土本構(gòu)關(guān)系。采用C30混凝土，彈性模量為3.0×104MPa，泊松比為0.2。鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用各項同性的理想彈塑性本構(gòu)模型，即理想雙折線模型，并使用Von Mises屈服準(zhǔn)則。

表1 試件配筋情況

圖1 試件的尺寸及配筋方式

2.3 仿真分析結(jié)果

聯(lián)肢剪力墻試件有限元分析的荷載-位移骨架曲線如圖2所示。在加載的初期階段，兩個試件的荷載與位移曲線幾乎重合且成正比增加，隨著荷載的增大，兩個試件連梁端部和墻肢底部逐漸出現(xiàn)塑性鉸，試件的承載力與位移成曲線發(fā)展。當(dāng)位移較大但荷載基本處于穩(wěn)定時，可認(rèn)為聯(lián)肢剪力墻試件已達(dá)到屈服狀態(tài)，此時對應(yīng)的荷載即屈服荷載。從圖2可以看出，普通配設(shè)一層封閉箍筋的連梁構(gòu)成的聯(lián)肢剪力墻試件的屈服荷載、最大水平荷載均低于新配筋方案的連梁構(gòu)成的聯(lián)肢剪力墻試件。表2的計算結(jié)果表明，新配筋方案的連梁構(gòu)成的聯(lián)肢剪力墻試件在屈服后經(jīng)過較長時間的變形才達(dá)到極限承載力，后期承載力較大，位移延性系數(shù)也較高，耗能能力較好。箍筋分段封閉,其對混凝土的約束作用優(yōu)于普通配筋小跨高比連梁構(gòu)成的聯(lián)肢剪力墻,因而其延性和變形性能好。

圖2 荷載-位移曲線

構(gòu)件最大位移/mm最大水平荷載/kN屈服位移/mm屈服荷載/kN位移延性系數(shù)SW-1(普通配筋)7．99408．801．81284．494．41SW-2(新配筋)12．20461．151．89296．936．46

3 結(jié)論

(1)新配筋方案的連梁構(gòu)成的聯(lián)肢剪力墻的抗剪極限承載力比普通配筋連梁構(gòu)成的聯(lián)肢剪力墻高。

(2)無論是連梁還是墻肢，新配筋方案的連梁構(gòu)成的聯(lián)肢剪力墻沿對角線的壓應(yīng)力區(qū)分布范圍更廣，可使剪力墻在更大的范圍內(nèi)承受壓力。

(3)新配筋方案因有三排箍筋通過梁腹的構(gòu)造鋼筋連接，最終連梁發(fā)生彎曲破壞，連梁的延性要好于普通配筋的連梁。

[1] 陳云濤，呂西林．聯(lián)肢剪力墻抗震性能研究——實驗和理論分析[J]．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2003，24(4)：25-34

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[3] 劉清山．抗震剪力墻小跨高比連梁的理論分析及試驗研究[D]．西安建筑科技大學(xué)，2006

[4] 王英俊．分段封閉箍筋小跨高比連梁改進方案的計算機仿真研究[J]．開封：河南大學(xué)學(xué)報，2012，42(3)：322-325

[5] 竇勇．聯(lián)肢剪力墻基于位移的抗震設(shè)計及實驗研究[D]．開封：河南大學(xué)，2012

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[10] 劉建新．考慮剪力墻剛度退化時高層框-剪結(jié)構(gòu)框架地震內(nèi)力的實用確定方法[J]．建筑結(jié)構(gòu)， 1991，(10)：17-20

[11] GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]

王新黎(1989～)，女，碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)評估與加固。

TU311.41

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[定稿日期]2014-10-13