鋼筋混凝土雙連梁剪力墻結(jié)構(gòu)受力性能分析

季海峰

(山西省建筑科學(xué)研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

連梁是剪力墻結(jié)構(gòu)中墻肢傳力的重要聯(lián)系構(gòu)件，其具有一定的強(qiáng)度、剛度及變形能力，對(duì)整體墻肢承載力及抗震性能影響較為顯著。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于連梁的約束作用，使得墻肢具有足夠的剛度及承載力，在地震發(fā)生時(shí)，連梁常作為第一道防線首先屈服，在梁端部產(chǎn)生塑性鉸，進(jìn)而增加結(jié)構(gòu)的阻尼性能。然而在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，連梁抗剪承載力常常不滿足要求，需要采取一定措施降低連梁內(nèi)力。在諸多方法中，較為理想的當(dāng)屬雙連梁結(jié)構(gòu)體系[1-3]。

近年來，雙連梁體系受力性能也得到了較多研究。朱炳寅[4]對(duì)雙連梁等效計(jì)算問題展開研究，提出抗彎剛度等效及抗剪截面面積等效兩種方案。李奎明等[5]通過試驗(yàn)對(duì)高性能混凝土雙連梁剪力墻展開研究，探討不同連梁形式對(duì)結(jié)構(gòu)承載力、延性及耗能能力影響，研究證實(shí)了高性能混凝土雙連梁剪力墻具有良好的抗震性能。丁永君等[6,7]對(duì)高強(qiáng)鋼筋高強(qiáng)混凝土雙連梁結(jié)構(gòu)展開研究，結(jié)果表明雙連梁結(jié)構(gòu)延性及耗能性能更好。姜忻良等[8]對(duì)提出雙連梁與單連梁轉(zhuǎn)角剛度等效的方法，并基于有限元分析驗(yàn)證了該方法的有效性。陳云濤[9]對(duì)雙連梁幾種等效原則進(jìn)行了分析，并與實(shí)際計(jì)算結(jié)果展開對(duì)比。曹楊等[10,11]對(duì)雙連梁短肢剪力墻結(jié)構(gòu)隨機(jī)損傷演化過程展開研究，分析了結(jié)構(gòu)受力過程中均值、方差及變異系數(shù)變化規(guī)律。胥玉祥等[2]對(duì)雙連梁受力性能展開分析，結(jié)果表明雙連梁方案可以顯著降低連梁內(nèi)力，有利于改善高層建筑受力性能。

本文研究旨在基于上述已有研究成果，基于有限元數(shù)值模擬進(jìn)一步對(duì)雙連梁剪力墻結(jié)構(gòu)體系受力性能展開研究，對(duì)比不同連梁形式剪力墻結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)、承載力、延性變化特點(diǎn)，為雙連梁剪力墻結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)應(yīng)用提供相應(yīng)參考。

1 計(jì)算模型

1.1 模型尺寸及配筋

本文選取三層聯(lián)肢剪力墻作為計(jì)算模型，分別建立單連梁的聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算模型SW-1和雙連梁的聯(lián)肢剪力墻計(jì)算模型DW-1。為提高計(jì)算效率，模型計(jì)算時(shí)采用縮尺模型，具體模型尺寸如圖1所示。模型中，墻體總高度為2 200 mm，墻體厚度為100 mm，兩側(cè)墻肢長度為600 mm，中間連梁寬度為400 mm。SW-1中連梁寬度為100 mm，高度為250 mm，連梁箍筋為φ6@80，縱筋為4φ12，腰筋為2φ8；DW-1中連梁寬度為100 mm，高度為120 mm，連梁箍筋φ6@80，縱筋為4φ8。墻肢豎向鋼筋為雙層φ6@80，水平鋼筋為φ6@80。墻肢兩側(cè)暗柱截面尺寸為100 mm×100 mm，縱筋為4φ8，箍筋為φ8@80。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45，墻體軸壓比為0.15。

1.2 材料模型

鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用理想彈塑性模型，在ANSYS有限元分析時(shí)，采用雙線性等向強(qiáng)化模型BISO，鋼筋屈服強(qiáng)度fy=300 MPa，彈性模量ES=2.0×105MPa，泊松比νs=0.3。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45，軸心抗壓強(qiáng)度fc=29.6 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度ft=2.51 MPa，泊松比νc=0.2。采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]給出的計(jì)算式，如下所示：

(1)

(2)

其中，n為方程上升段參數(shù)；α為方程下降段參數(shù)；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度；εc為混凝土峰值應(yīng)變。

依據(jù)上述關(guān)系，建立混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系見圖2。

1.3 有限元模型建立

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析時(shí)通常有三種建模方式，即整體式、分離式、組合式。在ANSYS分析中，通常采用整體式和分離式，本文分析中采用分離式模型，即將結(jié)構(gòu)中鋼筋及混凝土采用不同的單元處理。模型中，混凝土采用Solid65單元，該單元可以很好的模擬混凝土的開裂和壓碎；鋼筋采用Link8單元。建立模型時(shí)，不考慮鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移，鋼筋與混凝土單元共用節(jié)點(diǎn)。三層聯(lián)肢剪力墻SW和DW有限元模型如圖3所示。

1.4 荷載

模型建立后，對(duì)模型底部施加固定約束。在模型加載梁頂面施加均布荷載，使得墻肢軸壓比為0.15。在加載梁左側(cè)逐步施加水平荷載，加載子步為10 kN，直至結(jié)構(gòu)破壞。

2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

2.1 荷載位移曲線

在往復(fù)加載作用下，獲得單連梁和雙連梁模型的荷載—位移骨架曲線如圖4所示。從圖4對(duì)兩種剪力墻模型的骨架曲線分析可知，在加載的初始階段，隨著位移的增大，荷載迅速增加，荷載與位移呈現(xiàn)線性增大，呈現(xiàn)出明顯的彈性特征；此后，隨著位移的進(jìn)一步增加，位移增大幅度逐漸放緩，試件逐漸達(dá)到屈服狀態(tài)，荷載增速開始放緩，曲線的斜率逐漸降低，直至曲線進(jìn)入下降段。

2.2 承載力及延性系數(shù)

單連梁剪力墻模型和雙連梁剪力墻模型數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如表1所示。從表1數(shù)據(jù)可知，雙連梁剪力墻的屈服位移、峰值位移、極限位移較單連梁剪力墻提升11.8%～30.2%，雙連梁剪力墻的延性系數(shù)較單連梁剪力墻有所提高；雙連梁剪力墻的屈服荷載較單連梁剪力墻下降25.7%，雙連梁剪力墻的峰值荷載較單連梁剪力墻下降19.5%。可見，采用雙連梁剪力墻模型后，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力出現(xiàn)下降，但同時(shí)其延性得到提高。

表1 單連梁剪力墻和雙連梁剪力墻荷載、位移及延性系數(shù)

2.3 裂縫發(fā)展及破壞形態(tài)

通過調(diào)閱不同受力階段，單連梁和雙連梁剪力墻裂縫發(fā)展情況，可知單連梁與雙連梁的裂縫發(fā)展及破壞過程較為相似。此處以單調(diào)加載的單連梁裂縫發(fā)展及破壞過程為例，闡述模型裂縫發(fā)展及破壞過程。

圖5所示為單連梁剪力墻在開裂荷載、屈服荷載及極限荷載三個(gè)階段模型裂縫分布情況。從裂縫發(fā)展過程可知，隨著荷載的增加，初始裂縫首先在二、三層連梁兩個(gè)對(duì)角位置出現(xiàn)，此后左側(cè)墻肢和右側(cè)墻肢的底部先后開始產(chǎn)生裂縫。此后，上述裂縫均不斷擴(kuò)展，直至連梁和墻肢的縱筋相繼屈服，左側(cè)墻肢底部混凝土開始出現(xiàn)壓碎，整體模型逐漸進(jìn)入極限承載階段，直至結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞。

3 結(jié)語

1)本計(jì)算中，在往復(fù)加載作用下，單連梁和雙連梁剪力墻模型的荷載—位移骨架曲線變化趨勢(shì)基本相同，均分為彈性階段、屈服階段和極限階段。

2)本計(jì)算結(jié)果表明，雙連梁剪力墻的屈服位移、峰值位移、極限位移較單連梁剪力墻提升11.8%～30.2%，表明雙連梁剪力墻模型有著較好的延性及變形能力；雙連梁剪力墻的屈服荷載較單連梁剪力墻下降25.7%，雙連梁剪力墻的峰值荷載較單連梁剪力墻下降19.5%，表明采用雙連梁的剪力墻模型承載能力有所下降，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮此類因素的影響。

3)本計(jì)算結(jié)果表明，單連梁與雙連梁的裂縫發(fā)展及破壞過程較為相似，初始裂縫首先在二、三層連梁兩個(gè)對(duì)角位置出現(xiàn)，此后左側(cè)墻肢和右側(cè)墻肢的底部先后開始產(chǎn)生裂縫，直至連梁和墻肢的縱筋相繼屈服，左側(cè)墻肢底部混凝土開始出現(xiàn)壓碎，整體模型逐漸進(jìn)入極限承載階段。