型鋼混凝土剪力墻有限元力學(xué)性能研究

余 濤,馬中原

(1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司,武漢 430071;2.中信建筑設(shè)計(jì)研究有限公司,武漢 430077)

1 設(shè)計(jì)概況

以某換流站高端閥廳為例進(jìn)行研究,由于結(jié)構(gòu)的特殊性,剪力墻只在翼緣承受豎向荷載,而剪力墻的腹板不承受豎向荷載[1-4]。加載分為兩個(gè)方向,一組沿剪力墻腹板方向加載,另一組沿翼緣方向加載,模型尺寸如圖1所示,剪力墻高為1 200 mm。

2 單元類型的選擇

ANSYS軟件中,SOLID65單元是用于模擬鋼筋混凝土的實(shí)體單元,用其實(shí)體性能來(lái)模擬混凝土,用其加筋性能來(lái)模擬鋼筋的作用[5];采用LINK8單元模擬鋼筋,該單元僅承受軸向力作用;SHELL181單元來(lái)模擬型鋼,并認(rèn)為型鋼的腹板與翼緣為剛性連接。

3 本構(gòu)關(guān)系

1)混凝土本構(gòu)模型 ANSYS軟件中有很多非線性材料的本構(gòu)模型,適用于混凝土的本構(gòu)主要有MISO(多線性等向強(qiáng)化模型)和MKIN(多線性隨動(dòng)模型)。通過(guò)實(shí)例對(duì)比,兩種模型的計(jì)算結(jié)果相差不大。選用MKIN多線性隨動(dòng)模型,該模型可以使用下降段。

2)鋼材本構(gòu)模型 鋼筋和型鋼均采用理想彈塑性模型本構(gòu)模擬。

4 有限元模型的建立

1)網(wǎng)格劃分

建立的型鋼混凝土剪力墻模型各種材料網(wǎng)格劃分如圖2所示,型鋼、鋼筋與混凝土分別采用不同的單元,所有材料的單元尺寸均為100 mm。

2)邊界條件及荷載施加

型鋼混凝土剪力墻模型底部完全剛接,荷載施加分兩步進(jìn)行。第一步,通過(guò)軸壓比得到型鋼混凝土剪力墻模型截面的軸力,換算出相應(yīng)均布荷載的大小,施加在加載梁的頂部截面上;第二步,將型鋼混凝土剪力墻加載梁側(cè)面截面上的有限元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合,使所選截面上所有節(jié)點(diǎn)的位移同步,最后在主節(jié)點(diǎn)上施加水平荷載。

5 有限元計(jì)算結(jié)果

型鋼混凝土剪力墻模型沿腹板方向加載數(shù)值模擬過(guò)程,經(jīng)歷了彈性、塑性和破壞三個(gè)階段。

1)彈性階段

在此階段,由于水平荷載較小,模型整體變形不大。剪力墻翼緣兩端以及腹板底部應(yīng)力先后達(dá)到開裂值,說(shuō)明混凝土發(fā)生開裂現(xiàn)象,剪力墻混凝土應(yīng)力如圖3所示。此階段鋼筋和型鋼都還未達(dá)到屈服應(yīng)力,因此無(wú)明顯應(yīng)變。

2)塑性階段

當(dāng)水平荷載繼續(xù)增大,剪力墻腹板底部縱筋和型鋼均達(dá)到屈服,模型沿腹板受拉方向加載(反向加載)已經(jīng)屈服,此時(shí)模型混凝土應(yīng)力如圖4(a)所示。當(dāng)剪力墻翼緣底部縱筋和型鋼達(dá)到屈服應(yīng)力時(shí),判定模型沿腹板受壓方向加載(正向加載)已經(jīng)屈服,此時(shí)模型混凝土應(yīng)力如圖4(b)所示。繼續(xù)進(jìn)行加載,可以觀察到開裂應(yīng)力面積不斷向上擴(kuò)展,且該應(yīng)力區(qū)域在腹板部分呈斜線分布,表明模型腹板中部和上部不斷開裂,出現(xiàn)斜裂縫,混凝土裂縫分布如圖5所示。此時(shí)剪力墻鋼筋及型鋼應(yīng)力如圖6和圖7所示。由圖6、圖7可知,正向加載時(shí)首先是翼緣中部的鋼筋和型鋼先發(fā)生屈服,而翼緣兩端的鋼筋及型鋼屈服較晚。

3)破壞階段

水平荷載加載至P=590 kN左右時(shí),剪力墻整體變形逐漸增大,混凝土達(dá)到開裂值的區(qū)域不斷增大,表明混凝土出現(xiàn)明顯破壞,且剪力墻翼緣底部混凝土達(dá)到極限受壓應(yīng)力,表明此處混凝土被壓碎。

6 結(jié) 語(yǔ)

使用ANSYS軟件,采用分離式方法,建立型鋼混凝土剪力墻有限元模型,并且在建模時(shí),單元共用節(jié)點(diǎn),忽略粘結(jié)滑移對(duì)模型承載力的影響,由計(jì)算結(jié)果可知:沿各個(gè)方向加載的型鋼混凝土剪力墻有限元模型的受力情況共分為三個(gè)階段。在彈性階段,型鋼混凝土剪力墻模型整體變形較小;進(jìn)入塑性階段,剪力墻端部鋼筋和型鋼先后發(fā)生屈服,模型整體變形增大;破壞階段,模型混凝土開裂區(qū)域不斷擴(kuò)大,受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)力,結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。