不同轴压比对剪力墙抗震性能影响分析

张耀文 马东磊 刘学胜 宋灿

（中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450000）

0 引言

随着我国城市建设规模的快速发展，创新型及结构构造复杂的建筑在我国设计及使用率越来越高，这也就使得对建筑抗震性能提出了更高的要求。据了解，剪力墙结构形式在我国高层住宅的使用率以达到90%［1］，剪力墙在房屋及构筑物中主要承受水平荷载和竖向荷载的墙体。往往在项目设计时，设计师过渡考虑墙体材料强度及水平抗侧刚度，导致设计出的剪力墙具有用材多、截面大、抗侧移刚度大、延性低的特点［3］。这也就导致此类剪力墙在地震作用下破坏严重，究其原因是此类剪力墙有较大的抗侧刚度，在地震中主要承受地震作用，忽视了竖向荷载给剪力墙抗震性能带来的影响。

基于此，本文采用通用有限元分析软件ABAQUS分析剪力墙结构抗震性能，以轴压比为变量，以破坏模式、骨架曲线及刚度退化曲线为评价指标。给出剪力墙合理的轴压比，为今后工程实践提供理论支持及指导。

1 试件设计

本文设计现浇剪力墙模型共7 片，各模型尺寸参数相同。模型试件由剪力墙、地梁和加载梁组成。模型试验墙体的尺寸为：剪力墙厚bw=100mm，高度h=1400mm，长度l=700mm，加载梁截面尺寸为200mm×200mm，长度l=800mm，地梁截面尺寸为400mm×400mm，长度l=1500mm。

分析模型中混凝土设计强度为C40，暗柱、加载梁及地梁的箍筋采用A6 的冷拔钢丝，墙体内竖向及水平分布筋采用A6＠150，箍筋等级为HPB300。其余墙体暗柱纵筋、地梁及加载梁纵筋等级为HRB335，加载梁及地梁纵筋为A18，暗柱纵筋为A8。墙体尺寸及结构配筋详图1、图2与图3。

图1 墙体尺寸图

图2 墙体纵向配筋图

图3 墙体横向配筋图

2 有限元模型建立

2.1 混凝土本构模型

ABAQUS 软件中内置的混凝土塑性损伤模型能够很好展现结构在动载条件下内部应力的变化状态，能够较为准确反映在往复压缩与拉伸的状态下［5］，结构由弹性转化为弹塑性状态最后破坏的整体过程。基于已有研究表明，混凝土塑性损伤模型在分析剪力墙抗震性能中有良好的效益，且计算精度及相关数据参数可靠度良好。在后处理中能够较好的对结构的损伤行为、损伤程度及应力变化进行评价。混凝土拉伸及压缩应力应变关系见图4。

图4 砌体单轴受拉及受压应力应变关系

混凝土塑性损伤参数依照文献设定，为了避免混凝土进入塑性软化阶段出现难以收敛的问题，笔者经过多次试错得出粘滞系数取值为0.005。混凝土受压及受拉应力应变曲线依照《混凝土结构设计规范》GB50010-2010［2］后续附录，经过两次折算得到真实应力及非弹性应变输入到ABAQUS。折算后受压及受拉真实应力、塑性损伤因子与非弹性应变之间的关系见图5与图6。

图5 受压真实应力、损伤因子与非弹性应变关系

图6 受拉真实应力、损伤因子与开裂应变关系

2.2 钢筋本构模型

钢筋本构本章选用的Esmaeily·Ghasemabadi等的三线性强化模型［4］，服从von-Mises应力屈服准则，本构曲线遵循一般钢材三线强化特点，同时认为钢材受压属性同受拉属性保持一直，结合已知文献［6］与笔者试用，该本构模型能够较好的适用于模拟钢材等材料的实际特征。钢筋应力应变关系见图7，本构表达式为。

图7 钢材本构关系

2.3 有限元模型设置

本文有限元模型部件分别由刚性加载板、加载梁、钢筋笼及基础地梁。其中刚性加载板、加载梁与基础地梁选取ABAQUS 内置八节点减缩积分的三维实体单元，该单元能够较好的演化混凝土损伤稳定及演化的过程。钢筋采用二节点三维桁架单元，沿单元方向能够较为便捷获取常应力，进而获取其应力应变关系。为了避免循环加载时加载梁与作用点处应力集中，在加载梁外套刚性加载板，此加载板的刚度定义为无穷大，忽略其变形，泊松比设置趋于0。

网格划分直接影响模拟计算结果的精度，网格划分过大，计算精度无法保证，若划分的过小，则可能致使计算收敛较为困难。采用结构化网格划分技术，网格的划分考虑到局部部件划分不均匀，根据混凝土墙体尺寸纵向及横向尺寸，网格单元尺寸保持在40mm～60mm 之间，从模拟结果分析说明网格尺寸的划分是可行的。

刚性加载板与加载梁二者相互之间不产生相对滑移，故将二者以绑定(tie)接触相连接。由于加载梁，混凝土墙与基础地梁是统一浇筑，遂在结构中加载梁与混凝土墙上下部分采用绑定接触，两者的下部再与基础地梁采用绑定接触连接。加载梁与基础梁中的纵向钢筋与横向钢筋采用合并(merge)方式形成整体内置于二者中，混凝土墙面筋与暗柱筋分别嵌入混凝土墙、加载梁与基础地梁中形成结构整体［7］。

为使得钢筋混凝土墙抗震性能模拟结果与试验契合度较高，本文设置2个分析步，即step-1给出墙体竖向压力，此阶段以力控制，在此基础上step-2 设置为双向循环加载，采用位移/转角控制。在有限元分析模型中设置边界条件。

在step-1 阶段，基础地梁相对地面无相对滑移及转角，即其侧面及底边设置为完全固定，U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0，在加载梁设置耦合点RP1 耦合于整个顶面，沿Y 轴方向在RP1 点上施加轴向力，该轴向力并存与step-2。在step-2阶段在刚性垫板单侧设置耦合点RP2 耦合于侧面，在RP2 点上施加循环往复力，往复加载过程中钢筋混凝土墙无相对外位移，即在RP2点，U3=UR1=0，边界条件设置见图8。

图8 模型单元划分集边界条件设置

3 模拟试验分析

3.1 破坏模式

由钢筋混凝土剪力墙以往研究经验可知，轴压比是影响钢筋混凝土剪力墙抗震性能较为重要因素。因此通过变换静力状态下，墙体轴压比分析其对剪力墙抗震性能的影响，以ABAQUS 后处理输出DAMGET（受拉损伤）来判断裂缝可能出现的位置及之后的演化。不同轴压比下DAMGET 云图见图9。可以看出无论轴压比如何变化，受拉损伤带的形成总是始于墙体底部受拉侧，随着水平位移的增大，损伤带沿对策墙体方向延伸，在持续往复加载下形成“X”型交叉损伤带。但不同轴压比间损伤带差异较大，随着轴压比的降低，损伤沿墙面方向扩展得更高，近乎延伸至墙体顶部，而轴压比较大损伤带延伸低于墙体2/3，当轴压比在0.4～0.5 之间时，可以得出墙体有竖向损伤带形成，为典型的斜压破坏。

图9 不同轴压比下剪力墙DAMAGET云图

3.2 骨架曲线

剪力墙在实际工程中需承受其上部不同荷载，通过变换轴压比的大小来分析其对钢筋混凝土剪力墙抗震性能的影响，不同轴压比下剪力墙骨架曲线见图10。由图可以看出，随着轴压比的增大，剪力墙承载力不断在提高，但承载力提高率随轴压比的提高逐渐趋于缓和，说明轴压比在提高剪力墙承载力时存在阈值。随着轴压比的减小，剪力墙骨架曲线弹塑性段及下降段趋于平缓，说明低轴压比下，剪力墙表现出较强的塑性变形能力。

图10 不同轴压比下剪力墙骨架曲线

3.3 刚度退化曲线

地震作用下，刚度退化是评价钢筋混凝土剪力墙抗震性能较为重要指标。构件在循环往复加载中随着裂缝出现、蔓延及加宽，其自身刚度也将随之变化。不同轴压比下剪力墙刚度退化曲线见图11。可以看出，随着轴压比增大，剪力墙初始刚度增大，但增大的幅度在逐渐趋于平缓，说明轴压比增大，初始刚度存在阈值。荷载持续增大，轴压比大的剪力墙体刚度下降速率快，可解释为轴压比大的剪力墙一旦出现裂缝，裂缝扩展迅速，墙体抵抗变形能力较弱，轴压比小的剪力墙体裂缝发展较为充分，刚度退化相对平缓。

图11 不同轴压比下剪力墙刚度退化曲线

3.4 承载力及延性

不同轴压比下剪力墙模拟试验后处理得到数据结果见图12。由图看出，随着轴压比的增大，各试件模型屈服荷载、峰值荷载及屈服荷载持续增大，当轴压比在0.4～0.5 时，抗剪承载力增幅较大，相比之下，模型试件在各阶段位移值呈线性减小。可解释为轴压力的增大发挥了混凝土的抗压能力，峰值承载力过后，承载力丧失速率较快，塑性区段明显减小，其塑性变形能力明显减弱。

图12 各阶段模型计算荷载与位移值结果

4 结论

剪力墙在循环往复加载作用下，无论轴压比如何变化，剪力墙的损伤均始于墙低端部，轴压比在0.1～0.3 时，剪力墙呈现弯曲破坏，轴压比在0.4～0.5 时，剪力墙呈现出斜压破坏。

随着轴压比的提高，剪力墙抗剪承载力趋于缓和，说明轴压比对提高剪力墙抗侧承载力存在阈值。

在轴压比较大时，剪力墙出现损伤后，抗剪承载力下降较快，刚度退化速率下降速率较快。模型在轴压比增大时，剪力墙抗剪承载力增大，而其塑性变形能力在减弱。