基于有限元分析谈框剪结构力学性能的影响因素

周默超+刘冰

摘 要：文章利用非线性有限元软件WCOMD对框架-剪力墙试件进行模拟分析，根据试件分别在单调加载及水平往复加载时的荷载-位移曲线进行比较，从混凝土的强度等级入手，对影响框架-剪力墙结构力学性能的因素进行了讨论，为框剪结构的研究和工程设计提供参考。

关键词：框架-剪力墙结构；有限元分析；力学性能

1 概述

近年来，国内外众多学者的很多研究和设计规范中关于剪力墙结构设计的相关规定表明，剪力墙结构的抗震性能与多种因素有关，荷载分布（如截面剪跨比、轴压比）、几何尺寸（如高宽比、截面形状）、材料强度（如混凝土的强度、各个部位的配筋形式和强度）。框剪结构结合了框架结构和剪力墙结构，在研究上比剪力墙结构更为复杂，关于框架-剪力墙结构整体的抗震性能的影响因素的研究很少。文章通过有限元分析软件从结构材料性能入手，探讨这些因素是否对框架-剪力墙力学性能产生影响。

2 有限元软件介绍及试件概要

东京大学混凝土研究室开发的钢筋混凝土结构物的分析程序WCOMD基于混凝土相关的许多实验和理论验证结果，运用高精度的构成规则，可高精度地进行生成裂缝的各类钢筋混凝土结构物的二维非线性动力分析/静力分析。

本软件主要是针对钢筋混凝土而设计，特别是其在混凝土实验室研究出的混凝土本构关系模型成果显著，其准确度不仅考虑了日本在内，而且也包含考虑了其他海外国家混凝土本构关系的情况，因此文章选用WCOMD模拟分析。

2.1 模型设置

为了探讨混凝土强度对装配式框-剪结构体系的受力性能的影响，建立一个一榀双层单跨的装配式框架-剪力墙结构的有限元数值模拟进行对比分析。在有限元软件中建立试件模型，取边长100mm的正方形为一个网格的大小，由此建立有限元模型。

为了研究混凝土强度的差异是否对试件的力学性能造成影响，所以我们在模拟时需要输入模拟的不同部位的混凝土抗压强度值即可。在设置时，在保证其他条件相同的情况下，RC1与RC2的墙的混凝土强度值有差别，RC1的采用C30，RC2采用C40。

2.2 加载方式

（1）单调加载

（2）水平往复加载模拟的加载制度分两阶段进行，第一阶段是在两个小柱头顶面中心处各施720kN的轴压力，第二阶段在试件顶层梁跨中的钢板中心处，施加水平方向的循环往复力。设置每个分析步加载（或卸载）位移为0.31mm，每级进行两个往复循环加载，直到试件最终破坏。

3 模拟结果分析及其他影响因素

通过WCOMD对有限元模型用两种加载方式加载（单调加载和水平往复加载），再将试件的荷载-位移曲线及荷载-相对变形角曲线进行比较，从混凝土的强度入手，分析并讨论其对框架-剪力墙结构抗震性能的影响。

3.1 模拟结果对比分析

如图1所示，在单调加载条件下，通过荷载-相对变形角曲线可以看出RC2的承载力也有所提高，RC2的刚度要比RC1大些。RC1的最大位移略大些，二者的延性相差不大。其他相关的研究表明在合理的配箍下，使用高强度混凝土的剪力墙将提高由压区混凝土所产生的抗剪承载力。此外，使用高强度混凝土有助于提高构件的开裂荷载，减少裂缝宽度。

如图2所示，在水平往复加载条件下，通过荷载-相对变形角曲线可以看出，RC2的刚度相对于RC1有所提高。RC2的承载力也有所提高，但不是很明显。R1的最大位移略大些，二者的延性变化不大。

3.2 其他各因素对混凝土框架-剪力墙力学性能的影响

综上可以看出，混凝土强度对框剪结构的力学性能产生影响，另根据其他文献提供的研究结果表明，还有以下因素会对框剪结构的力学性能有影响：

剪力墙厚度：在其他参数保持不变的情况下，随着剪力墙厚度的增加，屈服位移逐渐降低。

轴压比：在其他参数保持不变的情况下，随着结构的轴压比的提高，屈服位移显著增加。

纵筋配筋率：在其他参数保持不变的情况下，随着剪力墙纵筋配筋率的提高，框剪构件屈服位移略有增加。

剪跨比：大量的研究结果表明，剪跨比是影响框剪结构抗剪承载力、破坏形态、延性及耗能性能的重要因素之一。

4 结束语

框架-剪力墙结构的抗震设计中，连接节点的优化设计固然重要，但是材料及尺寸作为结构的重要属性，它的优化需要更多的研究和关注。在设计中要综合考虑经济性和安全性的需求，最大程度地优化结构，从而使结构在地震作用下发挥最大的效能。不足的是，还需要收集更多的试验结果来分析各参数对框架-剪力墙结构的影响，从而提出方便实际工程应用的结论。

参考文献

[1]雷磊.直接基于位移抗震设计方法在剪力墙结构中的应用与研究[D].华南理工大学，2005.

[2]GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]李健.基于材料应变的钢筋混凝土剪力墙变形性能指标研究[D].华南理工大学，2013.

[4]GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.