型钢混凝土短肢剪力墙承载力分析

梁 伟 于凌燕 阮宗波

1 概述

短肢剪力墙是一种性能介于异形柱体系和普通剪力墙体系之间的剪力墙，只不过是采用较短的墙肢，“短肢”的定义并不很严格，一般可理解为其肢长约2 m或以下，而且通常采用T形、L形、I形、Z形等形式，短肢剪力墙主要布置在房间分隔墙的交点处。视抗侧力的需要及与分隔墙相交的形式而布置适当数量的相应形式的短肢墙，并在各肢处布置连系梁，把这些墙连结成一个整体以构成结构体系。剪力墙的间隔墙则用轻质砌体来填补。在这种体系中，根据需要并对结构有利的情况，也可以混合布置部分长肢墙或方矩形柱。这种结构体系并不是一种新的结构体系，但是它结合建筑的特点，形成一种较为特殊的形式，实质上是剪力墙结构体系的一种分支。《高层建筑混凝土结构技术规程》中指出，短肢剪力墙是指墙肢的截面高度与厚度之比为5～8之间的剪力墙。短肢剪力墙的肢长一般取在1000mm～2500mm之间。长不宜过长，如果将剪力墙设计的过于低宽，结构最终破坏形态将由结构的受剪承载力控制，剪力墙有可能出现脆性破坏，完全不利于结构的抗震设计。而当剪力墙较为高细时，结构呈受弯工作状态，由受弯承载力控制其破坏状态，此时剪力墙具有足够的延性，有利于抗震。

2 有限元模型的建立

2.1 材料的本构关系模型

混凝土本构关系的模型对型钢混凝土短肢剪力墙的非线性分析有重大影响。由于混凝土材料本身的特殊性和复杂性，许多混凝土本构关系模型对于实际的工程计算而言都显得过于复杂，不便于应用。常用的本构关系就有数十种之多，文中混凝土应力应变曲线采用我国GBJ 10-89混凝土结构设计规范建议模型，该模型的上升段为二次抛物线，下降段为直线，混凝土模型考虑受拉开裂(Cracking)，受压本构关系采用多折线随动强化模型Multilinear Kinematic hardening plasticity来定义。型钢和钢筋假定为理想的弹塑性材料，采用ANSYS程序提供的经典双线性随动强化模型，遵循Von-Mises屈服准则。

2.2 单元类型的选取与划分

型钢混凝土短肢剪力墙由混凝土、钢材两种材料组成。对于型钢混凝土短肢剪力墙，考虑钢筋与混凝土之间锚固良好，而型钢与混凝土之间产生的脱离问题，在实际工程可采取构造予以一定程度地解决，因此文中采用整体式模型，直接利用Solid65提供的实参数建模，其优点是建模方便，整体式模型主要用于有大量钢筋且钢筋分布较均匀的构件中，譬如剪力墙或楼板结构。由于短肢剪力墙端部型钢暗柱的存在，使得其纵向含钢率在端部相对较大，因此可以采取模型中含钢率不同模拟实际情况。混凝土单元采用Solid65单元，型钢单元采用Solid45单元。钢筋是由弥散钢筋单元组成的整体式钢筋模型，可以在三维空间的不同方向分别设定钢筋的位置、角度、配筋率等参数。

2.3 型钢与混凝土界面模型

型钢与混凝土之间的接触部分用三维面与面接触单元。ANSYS支持刚体与柔体的面与面之间的接触单元，型钢为刚性体，刚性面被视为“目标”面，用Targe170单元来模拟“目标”面，混凝土为柔性体，柔性体的表面被当作“接触”面，用Contact174单元来模拟，钢管和混凝土之间的摩擦系数取为0.6。

2.4 基本试件设计

基本试件为“一”字形截面型钢混凝土短肢剪力墙，型钢混凝土短肢剪力墙截面高宽300，剪力墙高2800mm，H型钢尺寸为180mm×180mm×8mm×10mm。试件底部固结，在剪力墙顶部所有结点进行X方向的耦合，这时程序将产生一个主结点，水平力以位移的方式施加在耦合端面的主结点上。混凝土强度为C45，纵筋为HRB335，箍筋为HPB235，型钢采用Q345钢材。纵筋含钢率为1.8%，箍筋含钢率为0.35%。

3 试验结果分析

图1为截面高厚比依次为h/b=5，h/b=6，h/b=7时型钢混凝土短肢剪力墙荷载—位移曲线。由图1可知，随着截面高厚比的增大，型钢混凝土剪力墙的承载力和刚度逐渐增大，极限承载力增大的幅度为10%左右。弹性阶段荷载—位移曲线基本相同，弹塑性阶段荷载—位移曲线相差比较大。随着截面高厚比的增大，基本试件的荷载—位移曲线下降段趋于平缓，极限位移逐渐增大，而且增大的幅度比较大。由此可知，高厚比对型钢混凝土短肢剪力墙的受力性能影响比较大，随着截面高厚比的增大，型钢混凝土剪力墙的刚度和承载力逐渐增大，塑性和延性性能也同时提高。所以为改善型钢混凝土短肢剪力墙的受力性能，设计时要严格控制高厚比，并且要满足规范要求。与普通钢筋混凝土短肢剪力墙相比，型钢混凝土短肢剪力墙，可以较大的改善构件的工作性能，满足实际工程中大跨度、重荷载对构件的要求。

表1为h/b=5，h/b=6，h/b=7时型钢混凝土短肢剪力墙在竖向荷载和水平荷载作用下的荷载与位移值。由表1可知，随着试件截面高厚比的增大其开裂荷载，开裂位移也相应的增大，但是增大的幅度很小，由此说明高厚比对型钢混凝土短肢剪力墙混凝土的开裂影响不是很大，混凝土的开裂主要受混凝土强度的影响。截面高厚比的增大，可以延缓构件的开裂荷载。基本试件的屈服荷载和极限荷载均随着构件墙肢截面的高厚比增大而相应提高，并且提高的幅度比较大。

表1 试件各阶段的荷载与位移

4 结语

型钢混凝土短肢剪力墙结构是建筑结构的一种新型抗侧力部件，可由纵横方向的剪力墙组成抗侧向力体系，主要承受水平地震作用，与普通的钢筋混凝土剪力墙相比，它的抗侧刚度很大。此外，型钢混凝土短肢剪力墙内外不露梁、柱楞角，便于室内布置，方便实用。它已成为大多数城市高层住宅采用最为广泛的一种结构部件。试研究结果表明:这种新型的短肢剪力墙充分发挥了不同抗侧力体系和不同材料的优势，显著提高了剪力墙的承载力和抗侧刚度，在一定程度上解决了国内外学者一直关注的改善剪力墙性能的问题。型钢混凝土短肢剪力墙破坏形式属于弯剪破坏，主要以受弯破坏为主，塑性和延性性能大幅提高。随着型钢混凝土短肢剪力墙理论研究的日益完善，型钢混凝土短肢剪力墙结构在工业及民用建筑中的应用将得到进一步推广。

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