配有螺旋箍筋的剪力墻邊緣約束構件延性數(shù)值分析

王元琦 尹新生

0 引言

地震災害是人類面臨的最大、最嚴重的自然災害之一，近年來國內(nèi)外的建筑結(jié)構中，由于剪力墻結(jié)構其整體性較好，側(cè)向剛度大，故大量高層建筑采用剪力墻結(jié)構。剪力墻作為主要抗側(cè)力構件，底部彎矩最大，故最大受力位置為底部位置的端部，需要在剪力墻兩端配置約束邊緣構件來提高剪力墻的抗震性能。由于剪力墻底部的端部兩側(cè)彎矩最大，故剪力墻中外邊緣所受正應力最大，以至于邊緣構件中遠離端部的鋼筋無法發(fā)揮最大作用，從而造成浪費，增加成本；同時對約束邊緣構件的構造形式，無法起到較好的約束作用。故本文提出一種新型邊緣約束構件的構造形式，在約束邊緣構件中配置螺旋箍筋，對暗柱中部分混凝土起約束作用，從而提高混凝土抗壓能力；螺旋箍筋具有整體性和連續(xù)性，即使外層混凝土剝落，也能對縱筋起良好的約束作用；將暗柱縱筋全部盡可能置于端部，從而使鋼筋發(fā)揮最大作用。

1 模型試件設計

為了更直觀反映出新構造形式的剪力墻與傳統(tǒng)剪力墻的抗震性能的區(qū)別，本文設計2 個尺寸相同的剪力墻試件，SW1 為普通剪力墻根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）要求進行構造，以作為對比參照構件，SW2 為配有螺旋筋邊緣構件的剪力墻。試件墻厚為200mm，墻高2 800mm，墻寬900mm，暗柱縱筋均為8C16，暗柱箍筋均為C8@100，混凝土強度均為C35，保護層厚度均為25mm，水平分布鋼筋均為C14@150，豎直分布鋼筋按最小配筋率0.25%以滿足構造要求。其中SW2中螺旋筋為A8@100，圈徑為150mm。為了更真實模擬靜力往復加載，分別設計250mm×250mm×1 100mm 的加載梁與40mm×450m×1 500mm 的底梁。如圖1、圖2 分別為SW1、SW2立面配筋圖。

圖1 SW1 立面配筋圖

圖2 SW2 立面配筋圖

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

在ABAQUS 中，本次模擬中混凝土單元所采用三維8 節(jié)點減縮積分單元，此種單元精度較高且能減少計算成本；鋼筋采用線性三維桁架單元，此單元更能直接地看出鋼筋變形效果?；炷僚c鋼筋均采用50mm 的網(wǎng)格劃分。

2.2 結(jié)構關系

本文模擬采用塑性損傷模型，根據(jù)《混凝土結(jié)構設計規(guī)范》（GB 50010-2010）分別計算建立C35 混凝土單軸受壓、受拉應力-應變曲線；鋼筋采用雙折線模型，彈性模量為200 000N/mm，泊松比為0.3，鋼筋屈服后，強化彈性模量取0.01Es。

2.3 載荷與相互作用設置

本文中鋼筋采用內(nèi)置與混凝土中，即鋼筋與混凝土之間無滑移。分別在頂梁頂部形心位置設置加載點RP1，底梁底部形心位置設置加載點RP2，分別耦合于上表面與底面。在RP2 設置完全固定，即試件底部采用完全固定。本次模擬中采用軸壓比為0.5，豎直加載與水平加載點均于RP1，水平加載制度采用位移控制加載，加載制度采用以4mm 為一級的等幅加載制度。當試件承載力下降到試件極限承載力的85%認定試件破壞，此時結(jié)束加載。

2.4 滯回曲線

滯回曲線是在往復力的作用下，得到荷載-位移曲線，它能反映構件在受力中的變形特征，能量的消耗以及剛度退化。SW1 滯回曲線如圖3 所示，SW2 滯回曲線如圖4 所示。通過滯回曲線可以看出，加載初期所有試件的滯回曲線都為線性變化，荷載增大時，試件殘余變形增大，滯回環(huán)開始彎曲并向外擴展。兩滯回曲線均為梭形，且SW2較為飽滿，說明SW2耗能能力更好。

圖3 SW1 滯回曲線

圖4 SW2 滯回曲線

2.5 骨架曲線

骨架曲線是指在滯回曲線上，將每級循環(huán)中第一次循環(huán)的最大水平荷載連接起來的外包絡曲線構成的曲線。骨架曲線可以綜合反映出試件的受力與變形特征。如圖5 為兩骨架曲線的對比圖。

圖5 SW1、SW2 骨架曲線對比圖

通過對比圖可以得出以下結(jié)論：

（1）在彈性階段，試件SW1 與試件SW2 斜率幾乎相同。說明在彈性階段，螺旋箍筋對試件的影響不大。

（2）SW1 最大承載力為266.03KN，SW2 最大承載力為326.72KN，SW1 極限承載力比SW2 極限承載力提高了22.8%。說明將邊緣構件中的縱筋置于端部，能有效使縱筋充分發(fā)揮效能。

（3）SW1 的極限位移為56.02mm，SW2 的極限位移為64.12mm。SW2 極限位移大于SW1 的極限位移，說明螺旋箍筋暗柱可以提高試件的延性。

2.6 延性性能

延性是建筑結(jié)構抗震的重要指標，指的是結(jié)構構件、截面等受力超過彈性階段后，承載力無顯著變化時的后期變形能力。本文采用螺旋筋邊緣約束構件代替?zhèn)鹘y(tǒng)剪力墻邊緣約束構件，能有效增加鋼筋混凝土結(jié)構的抗震能力，可以有效加強結(jié)構延性，可有效依靠結(jié)構的彈塑性變形，消耗、吸收地震能力，令屈服部分發(fā)生延性破壞，避免結(jié)構出現(xiàn)整體倒塌的情況。延性的指標采用延性系數(shù)μ 來表示，依照公式（1）來計算，延性特征值如表1 所示。

表1 延性特征值

其中Δy 為屈服位移，Δu 為極限位移，可知SW2 延性比SW1 延性提高了10.98%，說明螺旋筋不僅能提高試件的極限承載力，同時也對延性有所提高。

3 結(jié)論

本文運用ABAQUS 有限元分析軟件，在高軸壓比下進行擬靜力往復模擬，對傳統(tǒng)剪力墻與配有螺旋筋的剪力墻進行對比分析，分別對SW1、SW2 分析了滯回曲線、延性性能，得出以下結(jié)論：

（1）本文討論在構件剪跨比大于3 時即構件主抗彎與軸壓比為0.5 時，配有螺旋箍筋的邊緣構件對剪力墻抗震性能的影響。

（2）在相同軸壓比的情況下，由于約束混凝土與暗柱縱筋置于端部的原因，邊緣構件中配有螺旋筋的剪力墻的極限承載力提高了22.8%，說明配有螺旋筋邊緣構件的剪力墻抗水平荷載能力更強。

（3）由于螺旋筋的整體性相較于普通箍筋更優(yōu)，能較好地約束鋼筋與混凝土，故使構件的延性提高了10.98%。因此在約束邊緣構件中配有螺旋筋的剪力墻抗震效果更好。