基于ABAQUS的鋼管混凝土組合剪力墻彈塑性有限元分析

楊亞彬，汪志昊

(華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011)

基于ABAQUS的鋼管混凝土組合剪力墻彈塑性有限元分析

楊亞彬，汪志昊

(華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011)

鋼管混凝土組合剪力墻是一種新型剪力墻，能充分發(fā)揮不同受力體系和不同材料的抗震優(yōu)勢.采用大型有限元分析軟件ABAQUS對該新型剪力墻進行了彈塑性有限元分析，研究了鋼管混凝土組合剪力墻在荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變等微觀受力狀態(tài)，揭示了其破壞過程和抗震機理.

ABAQUS;鋼管混凝土;有限元;抗震機理

鋼管混凝土組合剪力墻是一種新型組合剪力墻，具有多道抗震防線和良好的抗震性能.目前，國內(nèi)外學(xué)者對鋼管混凝土組合剪力墻的研究較少.其中，Astaneh-Asl等學(xué)者研究了1個1/2縮尺的鋼管混凝土邊框剪力墻，證明了該試件具有很好的延性和荷載 －位移性能［1－2］.2004年頒布的《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 159)給出了帶矩形鋼管混凝土邊框的剪力墻的設(shè)計方法［3］.夏漢強等運用SAP2000有限元軟件對矩形鋼管混凝土邊框剪力墻進行了有限元分析，結(jié)果表明，規(guī)程中將作用于鋼管混凝土組合剪力墻的整體彎矩全部由鋼管混凝土柱中產(chǎn)生的軸向拉力或壓力承擔(dān)［4］.在我國，鋼管混凝土組合剪力墻已經(jīng)在深圳72層賽格廣場大廈和杭州瑞豐商業(yè)大廈中運用.

ABAQUS是一套功能強大的基于有限元方法的工程模擬軟件，它可以解決從線性分析到非線性模擬等問題.作者通過ABAQUS軟件對鋼管混凝土組合剪力墻進行有限元分析，模擬鋼管混凝土組合剪力墻的受力過程，以期全面地認(rèn)識其抗震機理.

1 有限元模型的建立

1.1 材料本構(gòu)模型

鋼材采用ABAQUS軟件中提供的等向彈塑性模型.該模型多用來模擬金屬材料彈塑性性能.其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系采用全曲線模型.

鋼管內(nèi)受約束的混凝土和墻板的普通混凝土在塑性性能上差異很大.目前對約束混凝土受力性能研究表明，約束混凝土的塑性會有所增加.因此采用了文獻［5］提出的適用于ABAQUS軟件有限元分析的核心混凝土單軸應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，其考慮了核心混凝土受鋼管被動約束的特點，修正了素混凝土單軸應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線的下降段和峰值應(yīng)變.

墻板混凝土單軸受壓性能采用文獻［6］提出的模型來定義，該混凝土受壓模型經(jīng)過了大量的實驗驗證，具有形式簡單、適用范圍廣等優(yōu)點.

1.2 單元選取

鋼管中核心混凝土與墻板混凝土、鋼管均采用三維實體單元C3D8R.墻體分布鋼筋采用三維桿單元T3D2，抗剪鍵采用殼單元S4R.

1.3 網(wǎng)格劃分

如果網(wǎng)格劃分較大，結(jié)果可能不太準(zhǔn)確或產(chǎn)生錯誤.如果網(wǎng)格劃分過于細(xì)致，將耗費過多的計算時間，浪費計算機資源.因此在模型生成時，應(yīng)結(jié)合網(wǎng)格試驗確定合理的網(wǎng)格密度.

1.4 接觸模擬

鋼管與混凝土的界面模型由截面法線方向的接觸和切線方向的黏結(jié)滑移構(gòu)成.鋼管混凝土界面法向的接觸采用硬接觸，接觸單元傳遞界面壓力p，垂直于接觸面的壓力可以完全地在界面間傳遞.鋼管與混凝土界面切向力模擬采用庫侖摩擦模型，界面可以傳遞剪應(yīng)力直到剪應(yīng)力達到臨界值τcrit，界面之間產(chǎn)生相對滑動后，界面剪應(yīng)力保持為τcrit不變.剪應(yīng)力臨界值τcrit與界面接觸壓力p成比例，且不小于平均界面黏結(jié)力τbond，即

式中μ為界面摩擦系數(shù)，鋼與混凝土界面摩擦系數(shù)的取值范圍為0.2～0.6.對于圓鋼管混凝土可根據(jù)Roeder(1999)［7］的研究成果，建議的表達式為

對于方鋼管混凝土，表達式為

式中:d為核心混凝土的直徑，mm;t為鋼管壁厚，mm.

1.5 邊界條件及加載方式

鋼管混凝土邊框柱腳和墻板底部均為固定端.加載梁頂部施加軸向均布荷載，加載梁端施加水平荷載.軸力施加完成后，在加載梁端施加水平方向的荷載.邊界條件及加載方式如圖1所示.

圖1 模型邊界及加載方式

1.6 非線性方程求解

采用增量迭代法進行求解.對每一個荷載增量，進行迭代計算，使每一級增量中的計算誤差可以控制在很小的范圍內(nèi).

2 計算結(jié)果分析

ABAQUS定義當(dāng)混凝土單元中出現(xiàn)受拉塑性應(yīng)變(最大主塑性應(yīng)變)時，即表示該混凝土單元開裂，裂縫的方向垂直于最大主塑性應(yīng)變方向，裂縫的寬度可近似地由最大主塑性應(yīng)變矢量箭頭的長短來反映.圖2為試件達到峰值荷載時墻板主塑性應(yīng)變矢量圖，此時墻板中混凝土的裂縫開展至接近墻板頂部，底部裂縫最大并延伸至受壓側(cè).

圖2 墻板主塑性應(yīng)變矢量圖

圖3為試件達到峰值荷載時墻板混凝土主應(yīng)力矢量圖，此時墻板混凝土的主應(yīng)力呈斜向分布，裂縫出現(xiàn)的區(qū)域主應(yīng)力與豎直方向夾角較大，右側(cè)區(qū)域主應(yīng)力與豎直方向夾角較小，以受壓為主.

圖3 墻板主應(yīng)力矢量圖

圖4為試件達峰值荷載時墻板分布鋼筋應(yīng)力云圖.墻板左上部至右下部對角線方向的區(qū)域中，分布鋼筋屈服.該區(qū)域為墻板最大主塑性應(yīng)變值較大的區(qū)域.這表明墻板上彎剪斜裂縫不斷開展延伸，使鋼筋的受拉應(yīng)力越來越大導(dǎo)致裂縫區(qū)域鋼筋屈服.

圖4 墻板分布鋼筋應(yīng)力云圖

圖5為試件達到峰值荷載時鋼管混凝土邊框的Mises應(yīng)力云圖狀態(tài).在試件達到峰值荷載時，邊框柱腳中下部進入屈服，邊框柱的變形以彎曲變形為主，在受壓側(cè)邊框底部出現(xiàn)了鋼管的鼓起變形.

圖5 鋼管Mises應(yīng)力云圖

通過對鋼管混凝土組合剪力墻的彈塑性有限元分析，對其破壞過程與工作機理分析如下.

初始階段，墻板混凝土和分布鋼筋均處于受壓應(yīng)力狀態(tài)，在應(yīng)力達到混凝土強度后受拉側(cè)混凝土墻板首先開裂.隨著水平荷載逐漸加大，受拉側(cè)鋼管底部受拉屈服，此時墻板混凝土裂縫開展較多，應(yīng)力狀態(tài)也發(fā)生變化，墻板底部受拉和受壓豎向分布鋼筋的應(yīng)力均逐步增大，但未達到屈服.之后，墻板混凝土裂縫快速增多，對角線右側(cè)區(qū)域主要以受壓為主;墻板底部裂縫開展至接近受壓側(cè)，受壓區(qū)高度較小，多排受拉豎向分布鋼筋屈服，受壓側(cè)豎向分布鋼筋受壓屈服，墻體的承載力達到峰值，受壓側(cè)鋼管底部被壓鼓起，剪力墻以彎曲變形為主.之后繼續(xù)加載，裂縫寬度有所增大，墻板混凝土在水平力和軸力共同作用下形成明顯的斜壓桿受力，分布鋼筋屈服范圍也進一步擴大，受壓側(cè)鋼管邊框底部繼續(xù)受壓鼓起，隨著鋼管和分布鋼筋達到極限荷載后承載力有所下降.從破壞過程和形態(tài)可以看出，由于剪力墻混凝土與鋼管混凝土邊框共同工作，使剪力墻的裂縫分布較密且范圍較廣，呈現(xiàn)出良好的抗震屈服機制.由于鋼管混凝土邊框柱的存在，在混凝土墻體破壞后，剪力墻仍呈現(xiàn)出承載力下降慢、后期剛度退化平穩(wěn)的特征，具有較好的延性.

3 結(jié)語

通過ABAQUS有限元軟件對鋼管混凝土組合剪力墻進行了彈塑性有限元分析，有效地模擬了其破壞過程，揭示了其抗震機理.結(jié)果表明，所采用的有限元模型合理，可以較好地反映出剪力墻在荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變等微觀受力狀態(tài)，可為鋼管混凝土組合剪力墻的設(shè)計提供理論依據(jù).

［1］Abolhassan，Astaneh-Asl.Seismic behavior and design of steel Plate shear walls［R］.Moraga，CA:Structural Steel Educational Council，2001.

［2］Astaneh-Asl.Seismic behavior and design of composite steel plate shear walls［R］.Moraga，CA:Structural Steel Educational Council，2002.

［3］同濟大學(xué)，浙江杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司.CECS 159:2004矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國計劃出版社，2004.

［4］夏漢強，劉嘉祥.矩形鋼管混凝土柱帶框剪力墻的應(yīng)用及受力分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2005，35(1):16 －18.

［5］劉威.鋼管混凝土局部受壓時的工作機理研究［D］.福州:福州大學(xué)，2005.

［6］Attard M M，Setunge S.Stress-strain relationship of confined and unconfined concrete［J］.ACI Materials Journal，1996，93(5):432 －442.

［7］Roeder C W，Cameron B，Brown C B.Composite action in concrete filled tubes［J］.Journal of Structural Engineering，1999，125(5):477 －484.

Elastoplasticity Finite Element Analysis of Shear Wall with Concrete Filled Steel Tube Composite Based on ABAQUS

YANG Ya-bin，WANG Zhi-hao
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

The shear wall with concrete filled steel tube composite as a new type combines the aseismic advantages of different stress system and various materials.The paper makes the elastoplasticity analysis of this new type of shear wall by using the finite element analysis software，researches the shear wall＇s micro stress states such as stress and strain under loads，in order to reveal the destruction process and aseismic mechanism.

ABAQUS;concrete filled steel tube composite;finite element;aseismic mechanism

1002－5634(2012)02－0014－03

2012－01－15

華北水利水電學(xué)院高層次人才科研啟動項目(201211).

楊亞彬(1980—)，男，河南平頂山人，講師，博士，主要從事組合結(jié)構(gòu)抗震方面的研究.

(責(zé)任編輯:陳海濤)