RC剪力墻在不同軸壓比下抗震性能的數(shù)值模擬分析

劉 超，蔣隆敏，黃 艷

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

RC剪力墻在不同軸壓比下抗震性能的數(shù)值模擬分析

劉 超，蔣隆敏，黃 艷

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

利用Ansys有限元分析軟件，對(duì)不同軸壓比下的RC剪力墻進(jìn)行數(shù)值模擬分析，采用荷載步文件進(jìn)行低周反復(fù)荷載的模擬加載，研究軸壓比分別為0.20, 0.25, 0.30的3片剪力墻的抗震性能，包括抗震承載力、延性、耗能能力、裂縫開展模式等的變化規(guī)律。研究表明，模擬結(jié)果與軸壓比為0.25的實(shí)體墻的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

RC剪力墻；軸壓比；抗震性能

0 引言

剪力墻結(jié)構(gòu)因具有較好的抗震性能，而被廣泛地應(yīng)用于高層建筑結(jié)構(gòu)中。由文獻(xiàn)[1-2]可以得知，影響剪力墻抗震性能的因素有很多，如構(gòu)件截面形式、軸壓比、剪跨比、邊緣構(gòu)件配筋率及其范圍等，而其中的軸壓比是影響其抗震性能的重要因素。因此，對(duì)不同軸壓比下剪力墻抗震性能的研究具有重要意義。

國內(nèi)外對(duì)RC剪力墻在不同軸壓比下的抗震性能的研究較多，并取得了一系列的研究成果[3-5]，但對(duì)其進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析的研究成果很少見諸于文獻(xiàn)。由于進(jìn)行試驗(yàn)研究要耗費(fèi)大量人力物力，且耗時(shí)長(zhǎng)，而利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析能避開這些弊端。此外，模擬分析的結(jié)果還可作為剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。因此，本文擬對(duì)軸壓比分別為0.20, 0.25, 0.30的3片剪力墻的抗震性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并與一片軸壓比為0.25的實(shí)體墻的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證有限之軟件模擬分析RC剪切墻的有效性。

1 試件及試驗(yàn)介紹

1.1 試件

墻體除了軸壓比不同，其他參數(shù)均相同，墻體設(shè)計(jì)尺寸為1 400 mm×700 mm×100 mm，剪跨比為2.0。墻體上邊設(shè)有頂梁和底梁，頂梁模擬樓板約束，尺寸為200 mm×200 mm×750 mm；底梁模擬剛性基礎(chǔ)，并使墻體固定在反力槽上，尺寸為300 mm×300 mm× 1 500 mm?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C20，實(shí)測(cè)混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為10.96 MPa，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為7.2 MPa。鋼筋采用HRB300，實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為290 MPa，極限拉應(yīng)力為387 MPa。試件配筋如圖1所示。

圖1 構(gòu)件配筋圖Fig. 1 Reinforcement diagram

1.2 試驗(yàn)

按照J(rèn)GJ 101—1996《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》[6]規(guī)定，對(duì)軸壓比為0.25的實(shí)體墻進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)墻體分三級(jí)施加豎向荷載，每級(jí)增加1/3，在整個(gè)試驗(yàn)過程中使豎向荷載保持恒定。試驗(yàn)加載制度如圖2所示，水平低周反復(fù)荷載的加載程序采用混合控制的加載制度，先進(jìn)行荷載控制，再進(jìn)行位移控制。墻體試驗(yàn)裝置見圖3。

圖2 試驗(yàn)加載制度圖Fig. 2 Method of loading

圖3 試驗(yàn)裝置圖Fig. 3 Test equipment

2 有限元建模分析

2.1 單元選取

通常用于混凝土單元的有SOLID45,SOLID65等，SOLID65與SOLID45相似，但增加了開裂與壓碎性能，最重要的是對(duì)材料非線性的處理可以模擬開裂（3個(gè)正交方向）、壓碎、塑性變形及徐變。本文混凝土采用SOLID65單元[7]，鋼筋采用LINK8單元。

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系與破壞準(zhǔn)則

SOLID65單元在缺省情況下，采用的是線性本構(gòu)關(guān)系，為了使其為非線性本構(gòu)關(guān)系，要輸入混凝土的本構(gòu)關(guān)系，可以參考文獻(xiàn)[8]或Hongnestad公式。

式中：fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

n為系數(shù)，本文取n=2。

上述混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線可用一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合，以便輸入，本文采用多線性等向強(qiáng)化模型即MISO模型；鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用理想彈塑性模型，本文采用雙線性等向強(qiáng)化模型即BISO模型[9]。SOLID65單元通過主應(yīng)力狀態(tài)確定4個(gè)區(qū)域，在不同的區(qū)域采用不同的破壞準(zhǔn)則。各破壞準(zhǔn)則的參數(shù)通過命令TB, CONCR和命令TBDATA輸入，其中張開裂縫的剪力傳遞系數(shù)對(duì)模擬分析結(jié)果的影響較大，根據(jù)文獻(xiàn)[9]將其取為0.125。

2.3 模型建立

利用Ansys分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，建立有限元模型通常有2種方法：分離式、整體式。分離式模型相較于整體式模型可以考慮鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)和滑移，建模和計(jì)算復(fù)雜，不易于收斂，但其結(jié)果更符合實(shí)際[9]。本文采用分離式建模，模型如圖4所示。

圖4 剪力墻有限元模型Fig. 4 Shear wall finite element model

3 有限元結(jié)果分析

3.1 裂縫開展及破壞形態(tài)

為了對(duì)比分析各試件在不同軸壓比下的裂縫開展情況，將墻體頂點(diǎn)水平位移為4 mm時(shí)，各構(gòu)件的裂縫開展情況進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。從圖5可以看出，隨著軸壓比的增大，豎向荷載增大，導(dǎo)致墻肢的開裂在壓彎共同作用下受到限制，試件破壞時(shí)的裂縫愈來愈集中于墻體的底部，試件由彎曲型破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐摹?/p>

構(gòu)件在各軸壓比下初次開裂裂縫集中在墻肢底部受拉側(cè)，構(gòu)件的開裂荷載理論值根據(jù)文獻(xiàn)[10]的公式計(jì)算。開裂荷載的理論值和模擬值如表1所示。

圖5 不同軸壓比的構(gòu)件裂縫圖Fig. 5 Fracture pattern of members with different axial compression ratios

表1 各軸壓比下初裂荷載模擬值和理論值Table 1 Simulation value and theoretical value of the initial cracking load of different axial compression ratios

由表1 可知，隨著軸壓比的增大，試件的開裂荷載也增大；軸壓比分別為0.20, 0.25, 0.30時(shí)，開裂荷載模擬值與理論計(jì)算值分別相差0.36, 0.24, 0.74 kN。

3.2 應(yīng)力云圖

各試件達(dá)到極限位移時(shí)的應(yīng)力云圖見圖6。

圖6 不同軸壓比下各構(gòu)件的應(yīng)力云圖Fig. 6 Stress contours of each component under different axial compression ratio

從圖6中鋼筋的應(yīng)力云圖可以看出，隨著軸壓比的增大，鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)力290 MPa的長(zhǎng)度范圍有所下降，這將導(dǎo)致鋼筋的變形受到限制。從混凝土的應(yīng)力云圖可以看出，隨著軸壓比的增大，混凝土的受壓區(qū)范圍也增大。

3.3 耗能能力

各試件的滯回曲線如圖7所示。為了研究其耗能能力，由滯回曲線的面積計(jì)算出其耗能系數(shù)[6]，各試件耗能系數(shù)如表2所示。

由圖7可以看出，各試件的滯回曲線都呈S型，這反映了各試件在低周反復(fù)荷載作用下受滑移影響較大。

圖7 滯回曲線Fig. 7 Hysteretic curve of component

表2 各試件耗能系數(shù)Table 2 Coefficients of energy consumption of each test piece

從表2可以得出，軸壓比分別為0.20, 0.25, 0.30時(shí)，各試件耗能系數(shù)模擬值分別為0.27, 0.29, 0.35。隨著軸壓比的增大，較大的豎向軸力限制了混凝土自身的開裂，并增大了開裂面的摩擦，從而致使試件的耗能能力提高。試件SW-2的耗能系數(shù)試驗(yàn)值稍小于模擬值，兩者相差0.03。

3.4 延性及水平抗震承載力

各試件的骨架曲線如圖8所示，延性系數(shù)及水平極限承載力見表3。

由圖8可以看出，各試件骨架曲線的斜率在加載初期較大，到加載后期則趨于平緩。

由表3可知，當(dāng)軸壓比為0.25時(shí)，試件延性系數(shù)的模擬值與試驗(yàn)值相差0.04，說明模擬值具有相當(dāng)?shù)目煽啃?。?dāng)軸壓比分別為0.20, 0.25, 0.30時(shí)，延性系數(shù)分別為3.28, 3.11, 2.24，這表明，隨著軸壓比的增大，豎向荷載增大限制了墻體的開裂，同時(shí)增大了墻體的受壓區(qū)相對(duì)高度，并抑制了塑性區(qū)的增長(zhǎng)，使受拉側(cè)鋼筋屈服后其變形得不到發(fā)揮，從而導(dǎo)致墻體延性減小。從表3還可得出，軸壓比分別為0.20, 0.25, 0.30時(shí)，各試件的水平極限承載力分別為44.79, 46.23, 42.09 kN，這說明，對(duì)于抗震承載力，軸壓比并不是越大越好，在某一限值內(nèi)，豎向荷載增大可以提高墻體的水平抗震承載力。

圖8 各試件骨架曲線Fig. 8 Each specimen skeleton curve

表3 不同軸壓比下的參數(shù)值Table 3 Parameter values unde different axial compression ratio

4 結(jié)語

本文通過不同軸壓比下的RC剪力墻的抗震性能的數(shù)值模擬分析，研究了剪力墻的裂縫開展、耗能性能、延性、抗震承載力等的變化規(guī)律，可得出如下結(jié)論：

1）隨著軸壓比增大，開裂荷載提高，構(gòu)件破壞時(shí)的裂縫逐漸集中于墻體底部。

2）耗能能力隨著軸壓比的增大而增強(qiáng)。

3）軸壓比增大降低了剪力墻結(jié)構(gòu)的延性。

4）在一定范圍內(nèi)，隨著軸壓比的增大，其水平抗震承載力提高。

以上研究結(jié)論與有關(guān)試驗(yàn)研究及理論研究的結(jié)論相一致[3-5]，而且本文的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較高，說明了本文所建立的有限元分析方法和選取的有限元分析模型是可靠的。

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：66-68. Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People's Republic of China. GB 50011—2010 Code for Seismic Design of Buildings[S]. Beijing：China Building Industry Press，2011：66-68.

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[3]章紅梅，曾 松. 不同軸壓比下剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J]. 結(jié)構(gòu)工程師，2014，30(5)：165-173. Zhang Hongmei，Zeng Song. Experimental Study on the Seismic Performance of Shear Walls Under Varied Axial Compression Ratios[J]. Structural Engineers，2014， 30(5)：165-173.

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[10]中國建筑科學(xué)研究院建筑結(jié)構(gòu)研究所. 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 北京：科學(xué)出版社，1982：352-389。Institute of Architectural Structure of China Academy of Building Research. Structural Design of High-Rise Buildings [M]. Beijing：Science Press，1982：352-389.

（責(zé)任編輯：鄧光輝）

Numerical Simulation Analysis on Seismic Performance of RC Shear Wall with Different Axial Compression Ratio

Liu Chao，Jiang Longmin，Huang Yan
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

By means of Ansys finite element analysis software, simulates the RC shear wall under different axial compression ratio, applies the load step document to simulate the low cycle repeated load, and studies the seismic performance of the 3 shear walls of 0.20, 0.25 and 0.30 axial compression ratio, including seismic bearing capacity, ductility, energy dissipation capacity, crack development patterns, etc.. The simulation results are in agreement with the experimental results of the solid wall with axial pressure ratio of 0.25 .

RC shear wall ；axial compression ratio ；seismic performance

TU973.1+6

A

1673-9833(2015)05-0023-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.05.006

2015-08-11

湖南省教育廳科學(xué)研究基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目（10A024）

劉 超（1991-），男，湖南衡南人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)樾滦筒牧霞捌湓诮Y(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用，E-mail：liuchao0904@qq.com