雙連梁雙肢剪力墻結構抗震有限元分析

蔣 華 朱飛強 孫登坤

(1.武昌首義學院，湖北 武漢 430064； 2.武漢市江夏區城鄉建設局，湖北 武漢 430060； 3.武漢和創建筑工程設計有限公司，湖北 武漢 430071)

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雙連梁雙肢剪力墻結構抗震有限元分析

蔣 華1朱飛強2孫登坤3

(1.武昌首義學院，湖北 武漢 430064； 2.武漢市江夏區城鄉建設局，湖北 武漢 430060； 3.武漢和創建筑工程設計有限公司，湖北 武漢 430071)

采用ANSYS有限元軟件，建立了雙連梁和深連梁雙肢剪力墻試件模型，對比分析了兩種剪力墻在單調力加載下的各項抗震性能指標，結果表明，雙連梁雙肢剪力墻的抗震性能較深連梁剪力墻更優。

雙連梁，雙肢剪力墻，抗震性能，ANSYS

0 引言

在高層建筑中，剪力墻結構或框架—剪力墻結構因其較好的抗震性能被廣泛應用。實際工程中，因開洞跨度小以及保證聯肢墻具備足夠側向剛度等因素，連梁多被設計成深連梁。大量震害表明，雙連梁剪力墻結構因跨高比較大，抗震性能比跨高比較小的深連梁剪力墻更優[1]。丁永君等人[3]對高強鋼筋高強混凝土雙連梁剪力墻結構與單連梁剪力墻結構進行低周往復荷載下的抗震試驗研究，對比分析兩者的承載力、滯回特性、延性、耗能能力，結果表明雙連梁剪力墻結構較小跨高比的單連梁剪力墻結構承載力降低了20%～30%、延性增加約30%、耗能能力增加約20%；范重等人[4-7]自2009年開始持續研究剪力墻結構中的連梁問題，先后提出多連梁、寬連梁等改進措施，并進行相應的抗震試驗研究。

本文在前人的震害經驗總結、試驗研究和結構設計軟件研究的基礎上，在不改變洞口位置和大小的前提下，通過ANSYS有限元分析軟件建立雙連梁雙肢剪力墻和深連梁雙肢剪力墻試件模型，并進行數值計算，對比分析了兩者的承載力、延性、剛度、滯回特性和耗能能力，再次肯定雙連梁對剪力墻結構抗震性能的增強效果及應用價值。

1 有限元模型建立

本文依據文獻[2]中試驗，選取兩片四層高性能混凝土短肢剪力墻按1/3縮尺進行模型設計，墻體尺寸如圖1所示。其中，DW是在SW的連梁中央位置開一道100 mm寬的縫槽，形成雙連梁。兩模型連梁配筋均為4φ8的縱筋和φ4@30的箍筋。

1.1 材料模型

為簡化計算，本文所建的剪力墻模型中鋼筋和混凝土的強度按《混凝土結構設計規范》來確定，混凝土材料的主要輸入參數見表1。

表1 混凝土材料系數

1.2 剪力墻有限元模型

ANSYS建模中，剪力墻、連梁分別采用整體式、分離式建模，構件單元混凝土、鋼筋分別采用Solid65,Link8；忽略鋼筋、混凝土間的相對滑移；網格劃分時，兩種單元在接觸點耦合所有自由度，即使鋼筋與混凝土共同工作；地梁下端視為固定端約束，即對地梁底部所有節點施加全約束。

1.3 加載模型

為較全面地分析雙連梁的抗震性能，本文建立了單調加載和低周反復荷載加載制度。ANSYS計算時，在單調荷載制度下采用荷載步級為10 kN，子步數30，收斂準則為力收斂，收斂條件取0.05，程序默認值為0.001；在反復循環荷載制度下，荷載步級及收斂條件均同前，子步數取為50。

2 有限元分析

2.1 承載力和延性

1)荷載—位移曲線分析。

在單調加載方式下，兩剪力墻模型的荷載—位移曲線如圖2所示：加載初期，SW和DW兩模型的荷載—位移曲線基本重合，且荷載與位移呈線性關系；當荷載加大到約170 kN時，DW開始屈服，位移較荷載有顯著增長，而SW的荷載在位移發生微小變化的同時繼續增加。對比整個加載過程，DW從屈服到極限狀態間，結構在保持較高承載能力的同時變形也隨之增加，呈現出良好的塑性和延性；SW雖然極限承載力明顯高于DW，但在屈服后結構迅速破壞，延性差。這些現象也可由表2的對比結果中看出。

表2 剪力墻有限元模型荷載值、位移值

編號屈服位移/mm屈服荷載/kN極限位移/mm極限荷載/kN延性系數DW18.11651612008.90SW14.42181132417.84

2)破壞形態。

SW,DW兩模型在各加載階段的裂縫分布情況如圖3所示。開裂階段，兩模型的初始裂縫均出現在二層梁的左下角，其中DW的初始裂縫出現在雙連梁的下部梁上。隨荷載增加，SW裂縫陸續出現在每層連梁的左下角和右上角，并沿豎向發展，逐漸形成豎向裂縫；DW的每層連梁裂縫則從端部向中間緩慢發展。到達極限狀態時，SW連梁裂縫迅速向受拉墻肢延伸，促使墻肢過分開裂而導致結構整體迅速破壞；而DW在荷載高達一定值時，先是雙連梁因裂縫密布而破壞，隨后受拉墻肢底部出現多處開裂，直至整個剪力墻破壞。對比兩片墻的破壞形態可知，DW較SW能更好地發揮連梁作為第一道抗震防線的作用；DW在破壞前從連梁到墻肢裂縫充分而緩慢的發展，使結構延性增強。

2.2 滯回性能和耗能能力分析

兩種剪力墻模型在水平往復荷載作用下的荷載—位移曲線如圖4所示。由圖4可見，在逐級加載至120 kN的過程中，SW模型的滯回曲線幾乎呈直線，而DW的滯回曲線出現了捏攏現象，滯回環的形狀較為飽滿。

3 結語

通過對雙連梁、深連梁雙肢剪力墻模型進行有限元計算及對比分析，本文得出結論如下：

1)雙連梁剪力墻(DW)結構因連梁槽縫的開挖導致截面尺寸減小、剛度削弱，從而使結構整體承載力較深連梁剪力墻(SW)偏低；

2)DW的破壞是先雙連梁受彎破壞后墻肢受拉破壞且裂縫發展過程長而緩慢，塑性和延性遠遠優于SW，且能很好地發揮連梁作為第一道抗震防線的作用；

3)DW的滯回曲線較SW更為飽滿，耗能能力明顯優于SW。

綜上，雙連梁剪力墻較深連梁剪力墻具有更好的延性和耗能能力，更利于抗震；但雙連梁的尺寸設計、連梁形式的改變對結構剛度的削弱等問題待進一步的研究來解決。

[1] 王亞勇.汶川地震建筑震害啟示——抗震概念設計[J].建筑結構學報，2008,29(4):20-25.

[2] 李奎明，孫春毅，李 杰.高性能混凝土雙連梁短肢剪力墻試驗研究[J].地震工程與工程振動，2006,26(3):121-123.

[3] 丁永君，于敬海，李 端.高強鋼筋高強混凝土雙連梁剪力墻抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報，2015,36(3):56-63.

[4] 范 重，李 波，范學偉.超高層建筑剪力墻短連梁有效配筋形式研究[J].建筑結構，2009,36(S1):496-499.

[5] 范 重，劉學林，黃彥軍.超高層建筑剪力墻設計與研究的最新進展[J].建筑結構，2011,41(4):33-43.

[6] 范 重，劉 暢，吳 徽.多連梁剪力墻抗震性能研究[J].建筑科學與工程學報，2014,31(4):125-134.

[7] 劉 暢，范 重，朱 丹.寬連梁剪力墻及其抗震性能研究[J].建筑結構學報，2015,36(3):46-55.

Finite element analysis on dual binding beam coupled shear wall structure

Jiang Hua1Zhu Feiqiang2Sun Dengkun3

(1.WuchangShouyiCollege,Wuhan430064,China; 2.WuhanJiangxiaBureauofUrban-RuralBuilding,Wuhan430060,China; 3.WuhanHechuangBuildingEngineeringDesignCo.,Ltd,Wuhan430071,China)

Applying ANSYS finite element software, the paper establishes dual binding beam and deep coupled shear wall testing model, comparatively analyzes various seismic resisting performance of two kinds of shear wall under monotonic loading force. Results show that: comparing to the seismic resisting performance of deep continuous beam shear wall, the seismic resisting performance of dual binding beam coupled shear wall is more optimal.

dual binding beam, coupled shear wall, seismic performance, ANSYS

1009-6825(2017)10-0065-02

2017-01-20

蔣 華(1986- )，女，講師； 朱飛強(1985- )，男，工程師; 孫登坤(1984- )，男，工程師

TU352

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