层壳模型在剪力墙结构计算中应用

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1、层壳模型在剪力墙结构计算中应用　　【摘要】钢筋混凝土剪力墙是高层建筑中的主要抗侧力构件，要正确模拟高层建筑的破坏行为，就必须提出能够准确模拟剪力墙构件破坏的力学模型。本文基于复合材料力学原理，提出了适用于剪力墙结构倒塌破坏非线性分析的分层壳墙单元模型，并与纤维模型结合，暗柱剪力墙的面内剪切、面内弯曲和面外弯曲行为进行了模拟计算。【关键词】剪力墙；分层壳模型；纤维模型；非线性分析；倒塌一、分层壳剪力墙单元（一）、单元模型分层壳剪力墙单元的基本原理如图1所示。即将一个壳单元划分成很多层，将剪力墙中的钢筋和混

2、凝土都分布到各层中去。通过有限元计算，可以得到壳单元中心层的应变和曲率，然后，认为壳单元各层材料在厚度方向满足平截面假定，就可以由中心层应变和曲率得到各钢筋和混凝土层的应变，进而由材料本构方程可以得到相应的应力，积分得到整个壳单元的内力。（二）、混凝土层本构模型混凝土受压行为采用基于Von5Mises屈服准则的等向硬化弹塑性材料模型，该模型比较适于描述剪力墙中以平面受力为主的混凝土[3]。混凝土初始屈服应力设定为1/3f[4]c。混凝土的一维等效应力应变关系采用Rüsch建议的抛物线加水平段形式[5]，

3、混凝土的极限压碎应变为0.33%。达到压碎应变后，相应的混凝土积分点退出工作，混凝土的刚度和应力都降到零。二、钢筋混凝土纤维模型（THUFIBER）剪力墙边缘暗柱采用清华大学土木系在MARC2003程序基础上开发的针对钢筋混凝土杆系结构的钢筋混凝土纤维模型（THUFIBER）[2]模拟。在THUFIBER中，每个钢筋混凝土杆件截面被划分成36个混凝土纤维和4个钢筋纤维，如图3所示。用户可以分别定义每个纤维的位置、截面积和本构关系。程序自动根据平截面假定得到每个纤维的应变，并迭代计算确保截面应力平衡。TH

4、UFIBER提供的混凝土本构关系如图2所示，其滞回关系为原点指向型。三、计算模型及算例验证（一）面内剪切受力分析对于高宽比不是很大的矮墙，在侧向力作用下，会有较大的面内剪切变形。如何准确模型剪力墙的剪切变形一直是剪力墙有限元分析的难点，特别是当要考虑剪力墙的开裂、屈服、破坏等复杂非线性行为时，目前各类剪力墙模型都有着较大的困难[1]。而本文建议的分层壳墙模型则可以较好的分析剪力墙的面内剪切非线性行为。5以文献[6]所做剪力墙模型试验W1[6]为例，试件尺寸如图5，墙肢及暗柱配筋如图6，试件基本参数如表1

5、和表2。计算模型中采用分层壳单元模拟墙体及翼缘，纤维模型模拟暗柱。墙体为四节点空间壳单元，暗柱为二节点空间梁单元，两种单元的节点都有六个自由度，在暗柱与墙连接处，两种单元节点上的六个自由度完全协调。（二）、面内弯曲受力分析由于剪力墙在面内高宽方向的尺寸相差并不悬殊，在发生面内弯曲变形时同样伴随较大的剪切变形，利用平截面假定，将其视为一维构件进行分析可能会带来较大的误差。而分层壳墙模型，可以更准确地考虑面内弯曲变形和剪切变形的共同作用，计算模型选取同济大学所做的比例尺为1/4的剪力墙模型试验[7]。墙体试

6、件厚60mm，宽1000mm，层高750mm，总高4层。墙体带暗柱和翼缘，纵向与横向配筋均为2Φ4@100，折合配筋率为0.418%。混凝土实测抗压强度fc=15MPa，弹性模量Ec=1.67×104MPa；钢筋屈服强度fy=452.9MPa，弹性模量Es=1.875×105MPa。试件尺寸及配筋详图参见文献。5生弯曲行为时，其对结构的整体抗弯能力还有一定贡献。图12为暗柱轴力随结构顶点位移的变化关系，从图中可以看到，在剪力墙发生面内弯曲的过程中，两端暗柱一侧受拉，一侧受压，形成一个抗弯力偶。当结构位移

7、发展到约10mm时，受拉侧暗柱与受压侧暗柱钢筋均发生屈服，此后随着位移继续发展受拉侧暗柱轴力保持不变，受压侧暗柱的轴力略有提高。当结构位移达到38mm左右时，受压柱混凝土压碎，承载力开始下降，这一过程与结构的整体受力变形规律是一致的。为分析暗柱对结构抗弯能力的贡献，将两端暗柱的抗弯贡献与结构整体抵抗弯矩绘出如图13，从图中可以看到在结构整体抗弯能力中，暗柱的贡献达到了50%以上。为验证有限元计算结果，我们运用经验公式[9]对暗柱及墙肢的抵抗弯矩进行了计算。计算结果发现，由于本模型端部集中配筋较强，暗柱对

8、结构整体抗弯能力的贡献大约达到了60%，与有限元计算结果相吻合。（三）、面外弯曲受力分析剪力墙发生面外弯曲时，由于墙体的厚度与其高度相比很小，其行为与一维梁构件的弯曲行为相近。计算模型仍参考文献：，取其翼缘剪力墙做面外弯曲计算分析计算得到的不同轴压下墙体的荷载位移曲线如图15。从图中可以看到随着轴压的提高，墙体的开裂荷载逐渐增加。屈服荷载随着轴压的提高而增加，在轴压为8MPa左右达到峰值，然后开始降低。轴压为0的纯弯状态下计算得到的开裂弯矩