鋼筋混凝土剪力墻拉剪受力性能試驗(yàn)

衛(wèi)凱華

（陜西保利房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，陜西西安 710000）

本文進(jìn)行理論分析，用有限元分析計(jì)算方法對(duì)鋼板混凝土剪力墻的拉剪受力性能進(jìn)行分析，對(duì)墻體高寬比、墻體配鋼形式、軸壓比、鋼板強(qiáng)度、鋼板厚度等參數(shù)對(duì)其受力性能的影響。 通過八片按照縮尺比例設(shè)計(jì)的不同形式的鋼-混凝土組合剪力墻低周反復(fù)荷載的試驗(yàn)，進(jìn)行合理的分析受拉混凝土剪力墻的破壞特征、滯回特性、承載力、剛度和耗能能力。

0 引言

在早些年，高層建筑結(jié)構(gòu)的縱橫比不大，并且剪力墻很少出現(xiàn)拉力等問題，近年來，隨著建筑物高度的增加，結(jié)構(gòu)縱橫比逐漸增加，并且高層建筑物底部的剪力墻產(chǎn)生的抵抗傾覆力矩的軸向張力也更大。在抵消了由自重（例如其自身重量）產(chǎn)生的軸向壓力之后，剪力墻可能仍會(huì)處于受力狀態(tài)。此時(shí)，剪力墻承受拉力，剪力和彎矩的共同作用，受力狀態(tài)復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生不利影響。

文獻(xiàn)調(diào)查表明，現(xiàn)有拉彎構(gòu)件的研究和成果主要基于梁柱構(gòu)件。對(duì)于剪力墻，其主要研究軸向壓縮和偏心壓縮情況下的受力性能，對(duì)于偏心拉力下的混凝土受力墻的受力極限、形態(tài)的變化和破壞的理論研究都未成熟。

1 鋼板混凝土剪力墻受力性能試驗(yàn)初步設(shè)計(jì)

本文將介紹11 片按照縮尺比例設(shè)計(jì)的不同形式的鋼-混凝土組合剪力墻低周反復(fù)荷載試驗(yàn)的試件初步設(shè)計(jì)，包括試件的主要設(shè)計(jì)參數(shù)、配筋，基于實(shí)驗(yàn)室的條件確定初步的量測內(nèi)容，加載裝置等。

其目的是考察鋼板-混凝土剪力墻在低周反復(fù)荷載作用下的開裂、裂縫發(fā)展、破壞過程及破壞形態(tài)；研究配鋼形式、高寬比等因素對(duì)鋼板-混凝土組合剪力墻的力學(xué)性能的影響；獲取墻體的初始剛度、開裂荷載、開裂位移、屈服荷載、屈服位移、極限荷載、極限位移、滯回特性等；與數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析鋼板-混凝土組合剪力墻的力學(xué)性能。

試件設(shè)計(jì)是根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ 101—1996）進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過擬靜力試驗(yàn)對(duì)試體進(jìn)行低周反復(fù)加重，將試體從彈性的狀態(tài)直至破壞的狀態(tài)，獲得試件的回復(fù)力計(jì)算模型等參數(shù)，可以較為全面地評(píng)價(jià)試件的力學(xué)性能；試驗(yàn)觀測的主要內(nèi)容是試件在豎直及水平方向進(jìn)行加重，在豎向及水平方向的作用下的側(cè)向位移、墻體平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角，及鋼筋、鋼板、型鋼在荷載作用下的應(yīng)變進(jìn)行觀測，同時(shí)進(jìn)行觀察試件的破壞過程與形態(tài)，記錄試件的裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)；應(yīng)變片的布置主要是在鋼筋及鋼構(gòu)件上，根據(jù)受力的原則，墻體底部彎矩最大，所以在端柱縱筋底部布置應(yīng)變片；位移計(jì)的布置在加載的平面內(nèi)，墻頂、墻體中部，墻體底部各布置一個(gè)，并在下部混凝土可能壓碎處布置一個(gè)；裂縫觀測時(shí)是用放大鏡查找裂縫，并用鉛筆記錄裂縫，裂縫旁邊表明負(fù)載的大小。進(jìn)行試件的初步配筋設(shè)計(jì)，并確定基本的量測內(nèi)容與方式，為試驗(yàn)方案的完善提供良好的基礎(chǔ)。

2 1000mm 普通鋼筋混凝土剪力墻計(jì)算

設(shè)計(jì)參照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010），按照非抗震設(shè)計(jì)，端柱縱筋：2×10B16，端柱箍筋A(yù)6@100，豎向分布鋼筋：A6@100，橫向分布鋼筋：A6@100，拉結(jié)筋 A6@200。

端柱體積配箍率：

端柱縱筋配筋率：

分布筋的配筋率：

端柱寬度取200mm：

3 鋼板混凝土剪力墻受拉性能非線性有限元分析

使用ABAQUS 軟件對(duì)剪力墻試件進(jìn)行有限元模擬分析，預(yù)測測試中剪力墻試件的力學(xué)性能，并與測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析；即通過有限元分析和理論計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以改善測試計(jì)劃，使測試運(yùn)行更加順暢，并獲得更多的數(shù)據(jù)供選擇。

實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬是研究混凝土結(jié)構(gòu)的主要方法。盡管實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果是直觀的，但大多數(shù)比例模型都是縮小的，與實(shí)際結(jié)構(gòu)的機(jī)械效果仍然不同，測試周期長且昂貴。另外，有限元分析克服了上述限制性。隨著計(jì)算能力的發(fā)展，提高及有限元理論的發(fā)展，有限元分析方法的精度越來越高，已成為混凝土結(jié)構(gòu)的重要研究方法，是對(duì)實(shí)驗(yàn)研究和工程設(shè)計(jì)的補(bǔ)充和互相確認(rèn)。

3.1 本構(gòu)關(guān)系

本構(gòu)關(guān)系是材料的應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系。在有限元模擬中，各種材料的本構(gòu)關(guān)系是內(nèi)力，變形和結(jié)構(gòu)相對(duì)關(guān)系之間的重要聯(lián)系。因此，可以建立準(zhǔn)確反映材料機(jī)械性能的本構(gòu)模型，這對(duì)于提高精度非常重要，有很大的影響力，這也是建模的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

混凝土的本構(gòu)關(guān)系：

混凝土由幾種不同材料的混合物制成。它是一種不均勻的脆性材料，壓縮和拉伸行為區(qū)別很大，抗壓強(qiáng)度大而抗拉強(qiáng)度小，它們之間存在一個(gè)數(shù)量級(jí)的差距。ABAQUS 提供三種模擬混凝土的材料模型：彌散裂縫模型（Smeared crack model）、塑性損傷模型（Damaged plasticity model）和脆性破裂模型（Brittle cracking model）。脆性的收斂性較差；彌散裂縫模型適用于單調(diào)加載、動(dòng)力分析，特別適用于壓應(yīng)力較小的分析，且只能用于ABAQUS/Standard 分析模塊；塑性損傷模型適用于往復(fù)荷載或單調(diào)荷載作用下的結(jié)構(gòu)分析，ABAQUS/Standard 和ABAQUS/Explicit 模塊均可使用該本構(gòu)模型，且收斂性較彌散裂縫模型更好一些。

由于本文所做的試驗(yàn)研究是試件的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，因此本文中的有限元分析采取的本構(gòu)關(guān)系采取混凝土塑性損傷模型。在調(diào)查了多種公式后采用基于能量等價(jià)原理的簡化算法進(jìn)行計(jì)算。

3.2 接觸模擬

圖1 基于能量等價(jià)原理的簡化算法

在該模型中，存在鋼筋與混凝土、鋼板與混凝土、混凝土與剛性塊之間的接觸關(guān)系。鋼板與鋼筋均嵌入在混凝土內(nèi)部，試驗(yàn)試件采取在鋼板上均勻焊接螺栓的方法，因此本文的模擬認(rèn)為鋼板與混凝土之間無滑移，粘結(jié)可靠。

3.3 荷載與邊界條件、單元類型選取、網(wǎng)格劃分

根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，共有兩種荷載，一個(gè)是位移控制的水平方向荷載，另一個(gè)是豎直方向的荷載。試驗(yàn)的邊界條件是底部螺栓固定，因此模擬邊界條件為底部完全固結(jié)。同時(shí)，為了避免加載點(diǎn)產(chǎn)生局壓破壞，通過Coupling 約束關(guān)系，將加載面耦合到一點(diǎn)進(jìn)行加載。

對(duì)于混凝土，采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分的三維實(shí)體單元（C3D8R）模擬，具有沙漏控制；鋼筋采用兩節(jié)點(diǎn)線性三維桿單元（T3D2）模擬，只能承受軸向荷載，沒有剛度，與鋼筋在理論分析時(shí)的受力模式相符；鋼板同樣采用C3D8R 單元模擬，將鋼板作為殼單元（SC8R，8 節(jié)點(diǎn)四邊形平面內(nèi)通用連續(xù)殼，采用減縮積分與沙漏控制），經(jīng)過試算與C3D8R 實(shí)體單元的結(jié)果相差無幾。

通過適當(dāng)?shù)姆謪^(qū)，劃分網(wǎng)格，由于沒有特別關(guān)注的區(qū)域，整體網(wǎng)格沒有加密的區(qū)域，混凝土的網(wǎng)格尺寸大致在50mm，鋼筋的網(wǎng)格大小在10mm 左右，鋼板的網(wǎng)格大小約為25mm。

4 結(jié)果與分析

圖2 1000mm 試件荷載位移曲線

從圖2 中可以看出，不同高度的試件，加載初期的剛度差異不大，之后剛度有明顯差異，由于1000mm 試件的破壞模式均為受剪破壞，承載力差異最為明顯，連續(xù)鋼板混凝土剪力墻最高，其次為分段鋼板混凝土剪力墻，最低為鋼筋混凝土剪力墻。承載力極限對(duì)應(yīng)的位移也有相似趨勢，連續(xù)鋼板混凝土剪力墻數(shù)值最高，但型鋼混凝土剪力墻的極限荷載對(duì)應(yīng)位移小于鋼筋混凝土試件。

從峰后反應(yīng)看，由于鋼板或型鋼的存在，大大提高試件的延性，承載力下降速度較普通的鋼筋混凝土試件慢一些，能在較大的位移時(shí)保持較高的承載力。

5 結(jié)語

本文進(jìn)行有限元的計(jì)算與分析，進(jìn)行試件在單調(diào)荷載下的模擬，為試驗(yàn)方案的完善提供一定的依據(jù)，并與理論計(jì)算承載力進(jìn)行比對(duì)分析，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)沒有涉及的參數(shù)進(jìn)行有限元分析，獲得各參數(shù)對(duì)于鋼板混凝土剪力墻受力性能的影響，使得整個(gè)研究工作更加的完整，對(duì)于鋼板混凝土剪力墻的力學(xué)性能有更透徹的研究。