L形短肢剪力墙非线性有限元分析

赵青 李晓莉

摘要：采用拟静力方法对L形短肢剪力墙分别进行了四组试验，通过对试验结果的分析，揭示了整体性系数、肢强系数、混凝土强度和翼缘宽度因素对短肢剪力墙承载力和变形的影响，同时分析了L形短肢剪力墙附加扭转对短肢剪力墙性能的影响。

关键词：有限元，肢强系数，整体性系数

1.有限元模型

采用ANSYS三维实体单元SOLID65建立L形短肢剪力墙试件的有限元模型，对层高为3m的8层双肢对称L形短肢剪力墙进行计算分析，墙肢及翼墙截面厚度均为200mm。试件比例为1： 1，在单元顶部作用一集中荷载P。混凝土的本构关系采用单轴应力-应变关系，钢筋应力一应变关系采用理想的弹塑性本构关系。

2.各参数对短肢剪力墙性能的影响

2.1混凝土强度等级

整体性系数 =8，肢强系数 =0.934，墙肢长度l=3.8m，肢高h=1.2m，肢厚为200mm，层高为3m，墙肢截面纵向配筋率为0.45%，横向配筋率为0.25%，连梁配筋率为0.85%，分布钢筋为0.25%。钢筋的屈服强度为300 N/mm2。

由分析可得：

（1）隨着混凝土强度等级的增加，短肢墙的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载也不断增加。原因是随着混凝土强度等级的增加，混凝土的抗拉强度和弹性模量都逐渐增加。

（2）随着混凝土强度等级的增加，短肢墙的开裂位移、屈服位移和极限位移也不断增加，增加的幅度较小，并且位移延性比稍微下降。这说明增加混凝土强度等级可以提高短肢剪力墙的强度，但不能提高其延性。

2.2肢强系数

整体性系数 =8。保持墙肢长度l=3.8m，肢厚为200mm，层高为3m，墙肢截面纵向配筋率为0.45%，横向配筋率为0.25%，连梁配筋率为0.85%，分布钢筋为0.25%。钢筋的屈服强度为300 N/mm2，混凝土强度等级为C25。

由分析可得：

（1）由上面分析结果可以看出，序号1的开裂荷载较小，其原因是肢强系数大于允许肢强系数，墙肢较弱，不能用短肢剪力墙的设计原理设计。

（2）整体性系数反映了所有连梁总的转角刚度与所有墙肢的抗弯刚度两者的比值。当墙肢肢距不变时，随着墙肢高度的增加，肢强系数逐渐减小，墙肢越来越强。从表中可以看到连梁高度基本上逐渐减小，但这并不能表示连梁越来越弱。因为当墙肢肢距不变时，随着墙肢高度的增加，连梁的跨度逐渐减小，连梁的总的转角刚度仍然是逐渐增强的，因此整体性系数不变。

（3）随着肢强系数的减小，墙肢抗弯刚度越来越大，墙肢越来越强。但由于整体性系数没变，所以，墙肢的开裂荷载不变。

（4）由于随着肢强系数的减小，墙肢越来越强，所以，短肢剪力墙的屈服荷载和极限荷载都逐渐增加，但极限荷载与屈服荷载的比值基本不变。

（5）由于随着肢强系数的减小，墙肢越来越强，所以，短肢剪力墙的开裂位移、屈服位移和极限位移都逐渐减小。

（6）随着肢强系数的减小，位移延性比（极限位移与屈服位移的比值）基本不变，说明随着墙肢的增加，其延续没有太大的变化。

（7）肢强系数对整片墙的混凝土面积影响较大。在设计时要慎重选择墙肢高度，使其在满足允许肢强系数和其他情况下，尽可能选择墙肢高度较小的截面。

2.3整体性系数

肢强系数 =0.917，保持墙肢长度l=3.8m，肢高h=1.3m，肢厚为200mm，层高为3m，墙肢截面纵向配筋率为0.45%，横向配筋率为0.25%，连梁配筋率为0.85%，分布钢筋为0.25%。钢筋的屈服强度为300 N/mm2，混凝土强度等级为C25。

由上可得：

（1）随着整体性系数的减小，开裂荷载和屈服荷载逐渐减小。原因是当肢强系数不变

时，肢高不变，连梁跨度不变，随着整体性系数的减小，梁的截面高度逐渐减小，梁的抗弯刚度逐渐减小。

（2）随着整体性系数的减小，极限荷载不变。原因是肢的大小没变，肢抗弯刚度不变。

（3）随着整体性系数的减小，开裂位移逐渐减小。原因是梁的抗弯刚度减小，梁开裂较早。

（4）随着整体性系数的减小，屈服位移和极限位移逐渐增大。原因是梁肢对墙肢的约束越来越弱。

（5）肢强系数不变，极限荷载不变，结构位移延性比逐渐增大，结构的延性越来越好。整体性系数对整片墙的混凝土面积影响很小。在设计时可以较调整整体性系数，使其在满足强度的情况下，具有合适的延性。

2.4翼缘宽度

整体性系数 =8，肢强系数 =1.917。保持墙肢长度为3.8m，肢高h=1.3m，肢厚为200mm，层高为3m，墙肢截面纵向配筋率为0.45%，横向配筋率为0.25%，连梁配筋率为0.85%，分布钢筋为0.25%。钢筋的屈服强度为300 N/mm2，混凝土强度等级为C25。

由上表分析可得：

（1）随着翼缘宽度的增加，开裂荷载不断增加。原因是墙肢的抗弯刚度有所增加。

（2）有翼缘的比无翼缘时开裂荷载和开裂位移大。随着翼缘宽度的增加，开裂位移逐渐减小。原因是翼缘的存在，使得连梁的开裂延缓。

（3）随着翼缘宽度的增加，屈服荷载有小幅的增加，但屈服位移却逐渐减小。原因是屈服位移表示的是连梁的完全屈服，连梁的抗弯刚度不变，屈服荷载基本也不变。

（4）随着翼缘宽度的增加，极限荷载逐渐减小，极限位移逐渐减小。原因是L形截面关于荷载作用方向不对称，墙肢存在扭转变形，并且随着翼缘宽度的增加，扭转效应越明显。

（5）当翼缘宽度达到600mm时，极限荷载急剧增加，极限位移也有所增加。

（6）当翼缘宽度小于墙厚的3倍时，翼缘的扭转作用使得墙肢的极限荷载逐渐减小，

这时要考虑翼缘对墙肢强度的消减作用。

（7）当翼缘宽度大于墙厚的3倍时，要考虑翼缘的有利影响。

4.扭转对短肢剪力墙性能的影响

由于L形截面的不对称性，翼缘处于受压状态下才对构件的抗弯强度有提高作用，翼缘对L形短肢剪力墙的破坏形态的影响显著。

在对8层L形双对称短肢剪力墙进行非线性分析时，由于其关于荷载作用方向不对称，均出现了扭转变形。保持墙肢的其他参数不变，仅改变翼缘的宽度，发现随着翼缘宽度的增加，z轴方向位移逐渐增加，但z轴方向位移相对x轴方向位移较小。也就是说短肢剪力墙发生的扭转变形比较小，考虑到实际工程中现浇楼板的约束作用，工程设计中短肢剪力墙不必单独配置抗扭钢筋。当楼板的平面形状比较狭长或有较大的凹凸及开洞造成楼板平面内刚度有较大削弱时，在水平力作用下楼板的变形不能忽视，此时应考虑扭转对L形短肢剪力墙的影响。

限于本人的理论研究水平和客观条件，本文只是着眼于影响L形短肢剪力墙的四种因素，对L形短肢剪力墙进行了非线性有限元分析，进行的也只是理论方面的分析研究。要得出对剪力墙的其他性能更全面分析，并能提供有价值的设计参数和方法，还必须做大量的系统的试验研究。

参考文献：

[1] 黄东升，程文瀼，彭飞. 短肢剪力墙的设计与研究（二）[J]. 建筑结构，2002，32（8）

[2]容柏生.高层住宅建筑中的短肢剪力墙结构体系[J].建筑结构学报.1997.18（6）：14-19.

[3]程文瀼，金向前，吴志彬.短肢剪力墙的设计与研究[J].建筑结构.2001，31（7）：51-52

164-167

[4]宫广娟，刘立新，崔广龙，李美云.短肢剪力墙内力分布规律的研究[J].郑州大学学报（工学版）.2003，24（2）