基于有限元分析談框剪結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響因素

周默超+劉冰

摘 要：文章利用非線性有限元軟件WCOMD對(duì)框架-剪力墻試件進(jìn)行模擬分析，根據(jù)試件分別在單調(diào)加載及水平往復(fù)加載時(shí)的荷載-位移曲線進(jìn)行比較，從混凝土的強(qiáng)度等級(jí)入手，對(duì)影響框架-剪力墻結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的因素進(jìn)行了討論，為框剪結(jié)構(gòu)的研究和工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；有限元分析；力學(xué)性能

1 概述

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的很多研究和設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定表明，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能與多種因素有關(guān)，荷載分布（如截面剪跨比、軸壓比）、幾何尺寸（如高寬比、截面形狀）、材料強(qiáng)度（如混凝土的強(qiáng)度、各個(gè)部位的配筋形式和強(qiáng)度）。框剪結(jié)構(gòu)結(jié)合了框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)，在研究上比剪力墻結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，關(guān)于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)整體的抗震性能的影響因素的研究很少。文章通過(guò)有限元分析軟件從結(jié)構(gòu)材料性能入手，探討這些因素是否對(duì)框架-剪力墻力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

2 有限元軟件介紹及試件概要

東京大學(xué)混凝土研究室開(kāi)發(fā)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的分析程序WCOMD基于混凝土相關(guān)的許多實(shí)驗(yàn)和理論驗(yàn)證結(jié)果，運(yùn)用高精度的構(gòu)成規(guī)則，可高精度地進(jìn)行生成裂縫的各類(lèi)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的二維非線性動(dòng)力分析/靜力分析。

本軟件主要是針對(duì)鋼筋混凝土而設(shè)計(jì)，特別是其在混凝土實(shí)驗(yàn)室研究出的混凝土本構(gòu)關(guān)系模型成果顯著，其準(zhǔn)確度不僅考慮了日本在內(nèi)，而且也包含考慮了其他海外國(guó)家混凝土本構(gòu)關(guān)系的情況，因此文章選用WCOMD模擬分析。

2.1 模型設(shè)置

為了探討混凝土強(qiáng)度對(duì)裝配式框-剪結(jié)構(gòu)體系的受力性能的影響，建立一個(gè)一榀雙層單跨的裝配式框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的有限元數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比分析。在有限元軟件中建立試件模型，取邊長(zhǎng)100mm的正方形為一個(gè)網(wǎng)格的大小，由此建立有限元模型。

為了研究混凝土強(qiáng)度的差異是否對(duì)試件的力學(xué)性能造成影響，所以我們?cè)谀M時(shí)需要輸入模擬的不同部位的混凝土抗壓強(qiáng)度值即可。在設(shè)置時(shí)，在保證其他條件相同的情況下，RC1與RC2的墻的混凝土強(qiáng)度值有差別，RC1的采用C30，RC2采用C40。

2.2 加載方式

（1）單調(diào)加載

（2）水平往復(fù)加載模擬的加載制度分兩階段進(jìn)行，第一階段是在兩個(gè)小柱頭頂面中心處各施720kN的軸壓力，第二階段在試件頂層梁跨中的鋼板中心處，施加水平方向的循環(huán)往復(fù)力。設(shè)置每個(gè)分析步加載（或卸載）位移為0.31mm，每級(jí)進(jìn)行兩個(gè)往復(fù)循環(huán)加載，直到試件最終破壞。

3 模擬結(jié)果分析及其他影響因素

通過(guò)WCOMD對(duì)有限元模型用兩種加載方式加載（單調(diào)加載和水平往復(fù)加載），再將試件的荷載-位移曲線及荷載-相對(duì)變形角曲線進(jìn)行比較，從混凝土的強(qiáng)度入手，分析并討論其對(duì)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

3.1 模擬結(jié)果對(duì)比分析

如圖1所示，在單調(diào)加載條件下，通過(guò)荷載-相對(duì)變形角曲線可以看出RC2的承載力也有所提高，RC2的剛度要比RC1大些。RC1的最大位移略大些，二者的延性相差不大。其他相關(guān)的研究表明在合理的配箍下，使用高強(qiáng)度混凝土的剪力墻將提高由壓區(qū)混凝土所產(chǎn)生的抗剪承載力。此外，使用高強(qiáng)度混凝土有助于提高構(gòu)件的開(kāi)裂荷載，減少裂縫寬度。

如圖2所示，在水平往復(fù)加載條件下，通過(guò)荷載-相對(duì)變形角曲線可以看出，RC2的剛度相對(duì)于RC1有所提高。RC2的承載力也有所提高，但不是很明顯。R1的最大位移略大些，二者的延性變化不大。

3.2 其他各因素對(duì)混凝土框架-剪力墻力學(xué)性能的影響

綜上可以看出，混凝土強(qiáng)度對(duì)框剪結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，另根據(jù)其他文獻(xiàn)提供的研究結(jié)果表明，還有以下因素會(huì)對(duì)框剪結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有影響：

剪力墻厚度：在其他參數(shù)保持不變的情況下，隨著剪力墻厚度的增加，屈服位移逐漸降低。

軸壓比：在其他參數(shù)保持不變的情況下，隨著結(jié)構(gòu)的軸壓比的提高，屈服位移顯著增加。

縱筋配筋率：在其他參數(shù)保持不變的情況下，隨著剪力墻縱筋配筋率的提高，框剪構(gòu)件屈服位移略有增加。

剪跨比：大量的研究結(jié)果表明，剪跨比是影響框剪結(jié)構(gòu)抗剪承載力、破壞形態(tài)、延性及耗能性能的重要因素之一。

4 結(jié)束語(yǔ)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，連接節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)固然重要，但是材料及尺寸作為結(jié)構(gòu)的重要屬性，它的優(yōu)化需要更多的研究和關(guān)注。在設(shè)計(jì)中要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性的需求，最大程度地優(yōu)化結(jié)構(gòu)，從而使結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)揮最大的效能。不足的是，還需要收集更多的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)分析各參數(shù)對(duì)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的影響，從而提出方便實(shí)際工程應(yīng)用的結(jié)論。

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