李 飛，胡嘉明

(1.蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011；2.國網(wǎng)寧夏電力檢修公司，寧夏 銀川 750011)

0 前 言

傳統(tǒng)RC剪力墻通常作為高層建筑的主要抗側(cè)構(gòu)件，雖然具有抗側(cè)剛度大、承載力高等優(yōu)點，但變形能力和耗能能力差。鋼纖維RC剪力墻是在 RC剪力墻的基礎(chǔ)上，在混凝土中加入適量鋼纖維后得到的一種剪力墻結(jié)構(gòu)，可以在一定程度上改善RC剪力墻的抗震性能。

近年來，國內(nèi)外學者對鋼纖維RC剪力墻進行了一系列研究，Eom等[1]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維的摻入顯著提高了RC剪力墻的抗震性能。杜興亮[2]通過7塊RC剪力墻的試驗研究發(fā)現(xiàn)，由于鋼纖維的摻入，RC剪力墻的抗裂性能得到有效改善，抗剪承載力、抗側(cè)剛度、延性和耗能能力也得到了有效提高，同時，鋼纖維的加入改變了RC剪力墻的破壞模式。趙軍等[3]通過擬靜力試驗研究發(fā)現(xiàn)，與普通RC剪力墻相比，鋼纖維RC剪力墻的滯回曲線趨于飽滿，延性和耗能能力明顯提高。趙軍等[4]對4片高寬比為1∶1的剪力墻試件進行擬靜力加載試驗，研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維的阻裂效果明顯，鋼纖維的加入使得RC剪力墻的滯回曲線趨于飽滿，延性和耗能能力明顯改善，并給出了延性和耗能能力的計算結(jié)果。尤培波[5]提出了一種鋼管混凝土邊框鋼纖維高強混凝土新型剪力墻，并進行擬靜力加載試驗，研究結(jié)果表明，鋼纖維的加入改變了裂縫形態(tài)，提高了剪力墻的抗震性能，并提出了該新型剪力墻的承載力計算方法。

本文在ABAQUS已有混凝土損傷塑性模型基礎(chǔ)上，結(jié)合前人研究，給出了鋼纖維混凝土的損傷塑性模型。采用ABAQUS對鋼纖維RC剪力墻的力學性能進行研究，考察了鋼纖維體積摻量和配筋率對其承載力和抗側(cè)剛度的影響。

1 有限元模型的建立

1.1 BASE試件設(shè)計

本文設(shè)計的BASE試件墻體寬度為1 350 mm，高為950 mm，厚度為60 mm，混凝土強度等級為C30，鋼纖維體積摻量為0.5%，分布鋼筋角度為0°/90°，鋼筋直徑為6 mm，等級為HPB235，鋼筋間距為120 mm，并設(shè)置暗梁暗柱。

1.2 材料本構(gòu)

1)混凝土材料本構(gòu)。徐禮華[6-7]結(jié)合鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土的試驗結(jié)果，在過鎮(zhèn)海[8-9]建議的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線方程的基礎(chǔ)上，通過理論分析獲得了鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。本文通過忽略鋼-聚丙烯混雜纖維中所對應(yīng)的聚丙烯纖維的參數(shù)，得到了鋼纖維混凝土的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

(1)單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變[10]關(guān)系按式(1)～(6)計算：

(1)

x=εc/εfc0,y=σc/ffc

(2)

(3)

(4)

ffc=fc(1+0.206λsf)

(5)

(6)

式中，ffc、fc分別為鋼纖維混凝土和普通混凝土的軸心抗壓強度；εfc0為鋼纖維混凝土軸心抗壓強度的峰值應(yīng)力應(yīng)變；λsf為鋼纖維特征值，λsf=Vsf(lsf/dsf),其中，Vsf為鋼纖維體積分數(shù)；lsf/dsf為鋼纖維的長徑比；參數(shù)a的取值范圍為1.5≤a≤3，當a=1.5時，取a=1.5，當a>3時，取a=3。

(2)單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[11]按式(7)～(13)計算：

σ=(1-d1)Eftε

(7)

(8)

α1=ξ11.2(1+0.265λsf)

(9)

(10)

fft=fmt(1+0.366λsf)

(11)

εft=εmt(1+0.498λsf)

(12)

x=ε1/εft0,ρ1=fmt/Eftεft0

(13)

式中，fft和fmt分別為鋼纖維混凝土和相同配合比下混凝土軸心抗拉強度；εft0和εmt分別為鋼纖維混凝土和相同配合比下混凝土基體軸心受拉峰值應(yīng)力應(yīng)變；λsf為鋼纖維特征值，λsf=Vsf(lsf/dsf)。其中，Vsf為鋼纖維體積分數(shù)；lsf/dsf為鋼纖維的長徑比；Eft為鋼纖維混凝土彈性模量[12]按公式Eft=(1.751+0.652fft)×104計算；ξ1、ξ2為修正系數(shù)。當混凝土基體為C30時，取ξ1=1.02，ξ2=0.97。

混凝土損傷塑性模型(CDP)中，剪脹角(Dilation Angle)、流動勢偏移值(Eccentricity)、雙軸極限抗壓應(yīng)力與單軸極限抗壓力比值(fb0/fc0)、拉壓子午面上第二應(yīng)力不變量的比值(K)以及粘塑性參數(shù)(Viscosity Parameter)這些參數(shù)均按普通混凝土取值。

除了以上參數(shù)，CDP模型還要求提供混凝土受壓應(yīng)力-非彈性應(yīng)變關(guān)系以及受壓損傷因子，和混凝土受拉應(yīng)力-開裂應(yīng)變關(guān)系以及受拉損傷因子?；炷潦軌簯?yīng)力-非彈性應(yīng)變關(guān)系可由單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系求得，混凝土受拉應(yīng)力-開裂應(yīng)變關(guān)系可由單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系求得，損傷因子D由《混凝土設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2010)[13]中的損傷參數(shù)d根據(jù)文獻[14]推薦的式(14)計算確定：

(14)

2)鋼材本構(gòu)。鋼材本構(gòu)關(guān)系采用雙折線隨動強化模型。其中，鋼材的屈服強度fy、極限強度fu、彈性模量Es均采用材性試驗結(jié)果，鋼材的泊松比取0.3。

1.3 單元類型

混凝土、槽鋼連接件和鋼框架采用8節(jié)點線性減縮積分六面體實體單元C3D8R，鋼筋采用2節(jié)點線性三維桁架單元T3D2。

1.4 相互作用

鋼框架與槽鋼連接件采用“Tie”約束，用來模擬焊接。槽鋼連接件與鋼筋均“Embedded”在鋼纖維混凝土墻中。鋼纖維混凝土墻板與鋼框架之間的切向采用摩擦接觸，法向采用“硬”接觸。在鋼梁中間位置的上部創(chuàng)建參考點RP-1，并與鋼框架上表面“Coupling”。

1.5 邊界條件

鋼框架下部所有自由度施加了位移約束；對耦合點(RP-1)處施加U1方向位移來模擬所施加的水平位移，施加U3方向位移約束模擬側(cè)向支撐。

2 結(jié)果分析

為評估鋼纖維體積摻量對鋼纖維RC剪力墻受力性能的影響，設(shè)計了鋼纖維摻量(Steel Fiber Proportion)系列，鋼纖維體積摻量分別為0%和1%，試件編號為SFP-1和SFP-2。

1)骨架曲線。圖1給出了SFP系列試件的骨架曲線。

圖1 SFP系列骨架曲線

由圖1可知，BASE、SFP-1、SFP-2試件的峰值荷載分別為348.76、331.13、358.04 kN?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著鋼纖維體積摻量的增加，鋼纖維RC剪力墻的水平承載力有一定程度的增加。

3 結(jié) 論

鋼纖維體積摻量對鋼纖維RC剪力墻的水平承載力影響較大，隨著鋼纖維體積摻量的增加而增加。

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