周 磊，楊曉華，盧學(xué)臣

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

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)有限元分析

周 磊，楊曉華，盧學(xué)臣

（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，建立三層短肢剪力墻空間結(jié)構(gòu)有限元模型，通過改變控制參數(shù)和受力條件，研究軸壓比、荷載偏心距和節(jié)點區(qū)箍筋配筋率對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗扭承載能力的影響，并將計算結(jié)果與一個結(jié)構(gòu)模型試驗結(jié)果進行對比。計算結(jié)果表明：當(dāng)軸壓比小于等于0.5時，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗扭承載能力隨軸壓比增加而增大，當(dāng)軸壓比超過0.5以后，結(jié)構(gòu)抗扭承載能力隨軸壓比增加而降低；荷載偏心距增大，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)加強，結(jié)構(gòu)承載能力降低，扭矩增加加速了連梁端部受拉破壞，外邊緣結(jié)構(gòu)的連梁端部受到彎剪扭復(fù)合作用，是結(jié)構(gòu)抗震的薄弱位置，建議加強配筋；適當(dāng)增加節(jié)點區(qū)水平箍筋配筋率能有效提高結(jié)構(gòu)抗扭承載能力。

短肢剪力墻空間結(jié)構(gòu)；扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；軸壓比；偏心距；節(jié)點區(qū)箍筋配筋率

0 引言

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是一種介于異形柱和剪力墻之間的結(jié)構(gòu)形式，具有結(jié)構(gòu)布置靈活、節(jié)能等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于民用住宅、賓館客房等建筑中，因此，研究其抗震性能具有重要意義。結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)是多維的[1]，由此而引起的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是造成結(jié)構(gòu)破壞的一個重要原因[2]。在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能方面，對單個墻肢構(gòu)件或?qū)蝹€節(jié)點構(gòu)件的研究較多[3-9]，而利用三維空間結(jié)構(gòu)模型對在水平地震荷載作用下結(jié)構(gòu)節(jié)點抗扭轉(zhuǎn)的研究較少[10-11]，由此得出的相關(guān)結(jié)論并不能完全說明短肢剪力墻節(jié)點扭轉(zhuǎn)的破壞機理。

本文建立一個三層短肢剪力墻空間結(jié)構(gòu)有限元模型，對受扭轉(zhuǎn)作用下的短肢剪力墻空間結(jié)構(gòu)的墻肢節(jié)點進行研究，通過改變控制參數(shù)和受力條件，研究軸壓比、荷載偏心距、節(jié)點區(qū)箍筋配筋率對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗扭承載能力的影響。

1 模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)原型

為便于同結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果進行對比，本文建立的有限元分析模型完全參照一個典型結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ?，該試驗?zāi)Ｐ褪前磳嶋H工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的1/4縮尺比例的兩跨三層短肢剪力墻空間結(jié)構(gòu)模型，短肢剪力墻肢厚比為5。結(jié)構(gòu)模型基本尺寸如圖1所示，單位為mm。

圖1 結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ虵ig. 1 Test model of structures

1.2 有限元分析模型

采用ANSYS有限元軟件建立短肢剪力墻結(jié)構(gòu)分析模型，并對結(jié)構(gòu)進行非線性有限元分析。考慮到短肢剪力墻中鋼筋較多，且分布比較均勻的特點，本文采用整體式方式建立有限元分析模型，劃分單元采用含筋的SOLID65混凝土分析單元，認(rèn)為鋼筋以均勻分布的形式含在混凝土中。

結(jié)構(gòu)非線性分析中混凝土本構(gòu)關(guān)系采用多線性等向強化模型。根據(jù)GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[12]規(guī)定的混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系公式，用一系列數(shù)據(jù)點擬合混凝土的本構(gòu)關(guān)系，混凝土材料特性為：抗壓強度設(shè)計值fc=11.9 N/mm2，抗拉強度設(shè)計值ft=1.27 N/mm2，泊松比v=0.2。采用雙線性等向強化模型模擬鋼筋的本構(gòu)關(guān)系，鋼筋材料特性為：彈性模量E=2×105MPa，抗拉強度設(shè)計值fy=300 N/mm2，泊松比v=0.3。為保證結(jié)構(gòu)非線性分析中結(jié)果收斂，關(guān)閉了含鋼筋SOLID65混凝土分析單元壓碎開關(guān)，通過設(shè)置剪力傳遞系數(shù)來考慮混凝土出現(xiàn)裂縫時的剪切力損失。整體模型采用六面體映射劃分，建立的有限元分析模型如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig. 2 A fi nite element model

1.3 邊界條件的確定

根據(jù)結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ偷木唧w試驗情況和實際工程工作狀態(tài)，對建立的有限元分析模型底部所有節(jié)點施加固定端約束，即限制有限元分析模型底部所有單元節(jié)點沿3個坐標(biāo)軸方向上的位移為0 mm，在頂層距中軸線400 mm處施加循環(huán)往復(fù)的水平集中荷載。

利用建立的有限元分析模型，通過改變不同的控制參數(shù)來作如下研究：

1）根據(jù)工程實際受力情況，在頂層屋面施加一組固定不變的豎向面荷載，然后對頂層連梁單元不同節(jié)點施加循環(huán)往復(fù)的水平集中荷載。由于施加水平荷載的節(jié)點不同，荷載偏心距發(fā)生改變，對整體結(jié)構(gòu)施加的扭矩也發(fā)生改變，以此來研究扭矩大小對短肢剪力墻整體結(jié)構(gòu)受力性能的影響。

2）施加單一偏心循環(huán)往復(fù)荷載，根據(jù)不同的軸壓比對頂層屋面施加不同的豎向均布壓力，以此研究不同軸壓比對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗扭承載力的影響。

3）根據(jù)工程實際受力情況，在頂層屋面施加一組固定不變的豎向面荷載，然后對頂層連梁單元固定節(jié)點施加循環(huán)往復(fù)的水平集中荷載，再改變短肢剪力墻和連梁節(jié)點區(qū)域水平箍筋配筋率，研究不同箍筋配筋率對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)抗震性能的影響。

2 結(jié)果分析

2.1 有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果的比較

在有限元分析模型的頂層連梁上施加單調(diào)逐級增加的偏心循環(huán)往復(fù)水平集中荷載，集中荷載施加點偏中間對稱軸400 mm。計算得到頂層平面左上角點處水平側(cè)移和左右上角點水平位移差與施加外力的關(guān)系曲線，并將計算結(jié)果與已經(jīng)完成的結(jié)構(gòu)模型試驗結(jié)果進行比較，比較結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 左上角點水平位移曲線Fig. 3 Horizontal displacement curves

圖4 左右上角點水平位移差值曲線Fig. 4 Horizontal displacement difference curves

由圖3和圖4可知，有限元計算分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)模型試驗結(jié)果變化趨勢一致。在加載中前期，計算值與試驗值比較接近，結(jié)果吻合程度較高，這說明建立的有限元分析模型可以較好地模擬短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的水平抗扭性能的分析。由于建立的有限元分析模型是理想均勻模型，沒有考慮實際結(jié)構(gòu)中材料物理性質(zhì)的差異，所以在同樣的水平外力作用下，結(jié)構(gòu)模型試驗測量到的位移值大于有限元分析模型的計算值。

2.2 軸壓比對抗震性能的影響

軸壓比[12-13]大小是影響短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的重要因素之一。針對所建立的有限元結(jié)構(gòu)分析模型，在各層樓面板和屋面板上施加不同的面荷載。這些面荷載最終傳遞到短肢剪力墻上，再根據(jù)短肢剪力墻承受的豎向荷載和橫截面積換算成軸壓比。然后在有限元結(jié)構(gòu)模型的頂層樓蓋對應(yīng)節(jié)點上施加偏心距為400 mm的循環(huán)往復(fù)水平集中荷載，外荷載逐級加入，每級增加20 kN，直到有限元計算網(wǎng)格發(fā)生破壞而中止。計算得到的最大水平循環(huán)外荷載與短肢剪力墻軸壓比之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同軸壓比下的結(jié)構(gòu)極限荷載Fig. 5 Ultimate load of structure under different axial compression ratios

由圖5可知，結(jié)構(gòu)的抗扭承載能力隨著軸壓比的遞增呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。當(dāng)軸壓比不超過0.5時，軸壓比的增加可以有效地提高結(jié)構(gòu)的極限承載能力；當(dāng)軸壓比大于0.5以后，軸壓比的增加對結(jié)構(gòu)抗震反而不利，結(jié)構(gòu)的抗扭承載能力隨之減小。

圖6給出了具有不同軸壓比的有限元結(jié)構(gòu)分析模型的頂層平面角點在200 kN循環(huán)往復(fù)水平荷載作用下的最大水平位移。

圖6 不同軸壓比時結(jié)構(gòu)頂層角點水平位移Fig. 6 Ultimate displacement of structure under different axial compression ratios

由圖6可知，同等荷載條件下，軸壓比增大，結(jié)構(gòu)側(cè)移減小，延性減弱，軸壓比增加可以縮小短肢剪力墻結(jié)構(gòu)水平方向上的變形。結(jié)合圖5和圖6可以得出，JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[13]給出的短肢剪力墻軸壓比限值為0.45是比較合理的。

2.3 偏心距對抗震性能的影響

在軸壓比為0.3，偏心距分別為400, 750, 1 100, 1 500 mm時，對模型進行數(shù)值模擬，研究扭矩對結(jié)構(gòu)的破壞情況及其承載力的影響，模擬結(jié)果如表1所示。

表1 偏心距對結(jié)構(gòu)受力性能的影響Table 1 In fl uence of eccentricity on the structure performance

從表1可以看出，結(jié)構(gòu)破壞情況都表現(xiàn)為①軸線位置連梁端部單元破壞。偏心距增大，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)加強，結(jié)構(gòu)承載能力降低，扭矩的增加使得連梁端部受拉破壞加速，結(jié)構(gòu)未能充分發(fā)揮承載能力。外邊緣結(jié)構(gòu)的連梁端部受到彎剪扭復(fù)合作用，是結(jié)構(gòu)抗震的薄弱位置，建議加強配筋。

2.4 節(jié)點區(qū)箍筋配筋率對抗震性能的影響

JGJ149—2006《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[14]中，對異形柱節(jié)點核心區(qū)水平箍筋的間距和配筋率作了限定。本文針對建立的有限元分析模型，通過改變節(jié)點區(qū)域箍筋間距來調(diào)整配筋率，研究節(jié)點區(qū)域箍筋配筋率對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)水平抗扭承載能力的影響，設(shè)定軸壓比為0.3，計算結(jié)果如表2所示。

表2 節(jié)點區(qū)箍筋配筋率對結(jié)構(gòu)承載能力的影響Table 2 In fl uence of node-area stirrup reinforcement ratio on the structure’s bearing capacity

從表2中可以看出，當(dāng)節(jié)點區(qū)水平箍筋配筋率從0.37%提高至0.48%時，其承載力提高約9%，后期繼續(xù)增加配筋率，承載力不再提高。因此，在低配箍率時適當(dāng)提高短肢剪力墻結(jié)構(gòu)節(jié)點核心區(qū)箍筋配筋率，對提高結(jié)構(gòu)抗震性能是有利的。

3 結(jié)論

ANSYS有限元分析，可以較好地模擬偏心水平循環(huán)荷載作用下，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的受力情況，通過前面的研究，可得出如下結(jié)論。

結(jié)構(gòu)的抗扭承載能力隨著軸壓比的遞增呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，當(dāng)軸壓比小于等于0.5時，軸壓比的增加可以有效地提高結(jié)構(gòu)的極限承載能力。

偏心距增大,結(jié)構(gòu)承載能力降低,扭矩的增加使得連梁端部受拉破壞加速,外邊緣結(jié)構(gòu)的連梁端部受到彎剪扭復(fù)合作用，是結(jié)構(gòu)抗震的薄弱位置，建議加強配筋。

在低配箍率時，適當(dāng)增加節(jié)點區(qū)水平箍筋配筋率能提高結(jié)構(gòu)抗扭承載能力。當(dāng)節(jié)點區(qū)水平箍筋配筋率達(dá)到一定值后，再提高節(jié)點區(qū)水平箍筋配筋率，其水平抗扭承載力不再提高。

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（責(zé)任編輯：鄧光輝）

Finite Element Analysis of the Torsional Effect of Short-Limb Shear Walls

ZHOU Lei，YANG Xiaohua，LU Xuechen
（School of Civil Engineering of Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

PA fi nite element model of a three-layered short-limb shear wall space structure has been established by using ANSYS software. By modifying the controlling parameter and stress condition, a research has been conducted on the in fl uence of axial compression ratio, load eccentricity and stirrup reinforcement ratio in node areas on the torsional bearing capacity of short-limb shear walls, followed by a comparison between the experimental results and those of a structural model test. The conclusion shows that: the torsional bearing capacity of short-limb shear walls increases with the increase of axial compression ratio with its value at or under 0.5, while the torsional bearing capacity of short-limb shear walls decreases with the increase of axial compression ratio with its value above 0.5. The torsional effect has been strengthened and the structural bearing capacity has been reduced with the increase of the load eccentricity. The increase of the torque increases the tensile failure of the end of external structure of coupling beams under ending shear torsion, which makes the external structure a vulnerable place for seismic resistance that requires reinforcement. An appropriate increase in stirrup reinforcement ratio will effectively improve the torsional bearing capacity of structures.

short limb shear wall space structure；torsional effect；axial compression ratio；load eccentricity；stirrup reinforcement ratio in node areas

U398+.2

A

1673-9833(2017)02-0028-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.02.005

2016-11-31

周 磊（1992-），男，江蘇無錫人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向為高層建筑結(jié)構(gòu)，E-mail：690032140@qq.com