基于ABAQUS的RC剪力墙力学性能研究

摘要：利用ABAQUS有限元软件对钢筋混凝土（RC）剪力墙在不同荷载条件下的力学性能进行了深入研究。通过建立精确的三维有限元模型，模拟了剪力墙在受压和受拉状态下的应力分布、变形特性以及损伤演化。研究结果揭示了剪力墙在受力过程中的关键力学行为，包括应力集中区域、变形模式和损伤发展过程。研究为剪力墙的设计和优化提供了理论支持，有助于提高建筑结构的整体性能和安全性。

关键词：ABAQUS RC剪力墙 力学性能 有限元分析

中图分类号：TU398.9

Research on the Mechanical Performance of RC Shear Walls Based on ABAQUS

RUAN Xueqin LIU Haixia SHEN Hong

Jiaxing Vocational and Technical College， Jiaxing， Zhejiang Province， 314036 China

Abstract： This study uses the ABAQUS finite element software to conduct an in-depth investigation of the mechanical performance of reinforced concrete （RC） shear walls under various loading conditions. By establishing an accurate three-dimensional finite element model， the stress distribution， deformation characteristics， and damage evolution of the shear walls under compression and tension are simulated. The research findings reveal the key mechanical behaviors of shear walls during the loading process， including stress concentration areas， deformation patterns， and the development of damage. It provides theoretical support for the design and optimization of shear walls， contributing to the enhancement of the overall performance and safety of building structures.

Key Words： ABAQUS; RC shear walls; Mechanical performance; Finite element analysis

在现代建筑结构设计中，钢筋混凝土（Reinforced Concrete，RC）剪力墙因其高效的空间利用和良好的抗侧力性能，已成为高层建筑中不可或缺的结构元素[1]。剪力墙的设计不仅关系到建筑的稳定性，还直接影响到结构的使用寿命和维护成本。因此，深入研究剪力墙在各种荷载作用下的力学行为，对于优化结构设计、提高结构性能具有重要意义。有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）作为一种先进的数值模拟技术，为结构工程师提供了一种在不依赖实体试验的情况下，预测和分析结构响应的有效工具。通过ABAQUS进行的数值模拟，可以精确地模拟剪力墙在复杂受力状态下的应力分布、变形特性以及损伤演化，从而为结构设计提供科学依据[2-5]。本文将利用ABAQUS软件对RC剪力墙进行详细的数值模拟研究，旨在探讨在不同荷载条件下剪力墙的力学性能。通过模拟分析，本文将揭示剪力墙在受力过程中的关键力学行为，包括应力集中区域、变形模式以及损伤发展过程。研究成果将为剪力墙的设计和优化提供理论支持，有助于提高建筑结构的整体性能。

1 剪力墙结构

剪力墙的截面高度为2 000 mm，宽度为1 000 mm，厚度为125 mm，高宽比为2.0。剪力墙的底部为固定支承，顶部受到一个轴向压力和一个水平力的作用。轴向压力为24.6 kN，水平加载位移不低于50 mm。剪力墙的中间区域每侧设置5根直径6 mm纵向钢筋，相邻钢筋的间距为100 mm，边缘约束区域的长度为200 mm，每侧设置3根直径为10的纵向钢筋，相邻钢筋的间距为90 mm。混凝土的保护层厚度为10 mm，箍筋直径为6 mm，间距为80 mm。剪力墙试件加载和结构示意图如图1、图2所示。

2 ABAQUS有限元模型

ABAQUS是一款先进的有限元分析（FEA）软件，它以其强大的求解器、丰富的材料模型库和用户友好的操作界面，广泛应用于结构、热、流体动力学等领域的工程分析。利用ABAQUS对RC剪力墙进行力学性能分析流程如图3所示。

2.1 有限元网格

首先利用ABAQUS的前处理模块创建剪力墙的精确三维几何模型，为了确保模拟结果的准确性，对剪力墙模型进行了细致的网格划分（如图4所示）。采用C3D8R单元类型来模拟混凝土部分，这种单元类型能够较好地处理混凝土的非线性行为。对于钢筋部分，采用T3D2单元进行模拟，以考虑钢筋的轴向和弯曲效应。网格划分过程中，特别关注剪力墙的关键区域，如边缘、转角和配筋密集区域，以确保这些区域的网格密度足够高，能够捕捉到细微的应力变化。

2.2 本构模型与材料参数

在ABAQUS中，为了准确地模拟RC剪力墙的力学行为，必须正确定义混凝土和钢筋的材料本构模型及其参数。本构模型是描述材料在受力过程中应力与应变关系的数学表达式，它直接影响模拟结果的准确性。混凝土的损伤塑性模型（CDP模型）参数根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）[6]进行设置，以模拟混凝土在受力过程中的刚度退化和损伤累积。CDP模型主要参数如下。

2.2.1损伤因子

损伤因子用于描述混凝土在受力过程中的损伤程度。在ABAQUS中，损伤因子和分别用于描述拉伸和压缩损伤。损伤因子的计算公式如下：

式（1）中：、分别表示拉伸和压缩损伤的塑性应变与非弹性应变的比例系数；、分别表示拉伸和压缩的非弹性应变。

2.2.2应力应变关系

在拉伸和压缩状态下，混凝土的应力-应变关系可以通过以下公式表示：

式（2）中，、分别表示拉伸和压缩应力；、分别表示相应的应变；、分别表示拉伸和压缩的塑性应变。

2.2.3塑性应变

塑性应变是通过损伤因子和应力-应变关系计算得出的，公式如下：

式（3）中，分别表示拉伸开裂应变；分别表示拉伸破坏应力；分别表示压缩非弹性应变；分别表示压缩屈服应力。

钢筋的本构关系采用双线性等效塑性模型，以考虑其屈服后的塑性变形。边界条件的设置模拟了剪力墙在实际结构中的约束状态，包括固定支撑和荷载施加方式。混凝土和钢筋的材料参数如表1和表2所示。

3 结果分析

图5显示的是RC剪力墙在竖直向下和水平向右荷载状态下的损伤云图，包含了损伤因子的分布情况，损伤因子的值越接近1，表示该区域的损伤越严重，材料的性能退化越显著。可以看出受压损伤因子数值从左到右递增，墙体右下角部分损伤因子最大，这表明在荷载作用下，右下角容易先发生受压破坏；从受拉损伤云图来看，墙体左侧部分受拉损伤严重，这与实际相符合。表示平均损伤因子值为75%，这意味着剪力墙整体上已经出现了相当程度的损伤。

图6为墙体顶部水平推力与水平位移关系（荷载-位移曲线），当水平位移达到26 mm时，水平推力达到最大13.9 kN，位移在26～50 mm，水平推力有所降低。从图5中可以看出，曲线显示了墙体在受到水平推力作用下的响应，包括其刚度、承载能力和变形特性，具体分析如下。

（1）初始刚度。在位移较小的区域，曲线呈现出较高的斜率，这表明墙体在初始阶段具有较高的刚度。这意味着在小位移范围内，墙体能够承受较大的推力而只产生较小的位移。（2）线弹性阶段。在曲线的开始部分，推力与位移之间的关系近似线性，这表明墙体在这个阶段遵循胡克定律，应力与应变成正比。（3）刚度退化。随着位移的增加，曲线的斜率开始减小，这表明墙体的刚度开始退化。这种退化可能是由于墙体内部的裂缝扩展或材料的塑性变形导致的。在这个阶段，墙体的承载能力开始下降，但仍然能够承受较大的推力。（4）极限承载能力。曲线的峰值点对应于墙体的极限承载能力，在这个点之后，墙体的承载能力开始下降，推力无法继续增加，而位移则迅速增大。（5）破坏在极限承载能力之后，如果推力继续减小，而位移继续增加，这表明墙体已经发生了破坏。在这个阶段，墙体无法再承受额外的推力，结构的安全性受到威胁。

4 结语

本研究通过ABAQUS软件对RC剪力墙进行了详细的数值模拟，成功地模拟了剪力墙在复杂受力状态下的力学响应。研究结果表明，损伤云图能够有效地展示剪力墙在受压和受拉状态下的损伤分布，而荷载-位移曲线则直观地反映了剪力墙的刚度、承载能力和破坏过程。这些发现对于理解剪力墙在实际工程中的应用具有重要意义，为结构工程师在设计和评估剪力墙时提供了宝贵的信息。未来的研究可以进一步探讨剪力墙在不同材料组合、不同加载路径以及长期荷载作用下的性能，以期为剪力墙的设计提供更全面的指导。

参考文献

[1] 何莹莹.装配式剪力墙拼缝构造及受力性能分析[D].沈阳：沈阳建筑大学，2019.

[2] 白玉磊，杨洪龙，贾俊峰，等.基于修正混凝土塑性损伤模型的大应变FRP约束混凝土有限元分析[J].工程力学， 2023， 40（4）：15.

[3] 姚方宝，关群，王浦东.基于ABAQUS塑性损伤模型损伤因子的仿真分析[J].结构工程师， 2019， 35（5）：6.

[4] SALEH M ， ALHAMAYDEH M ， ZAKARIA M .Finite element analysis of reinforced concrete deep beams with square web openings using damage plasticity model[J].Engineering.Structures，2023，278：115496.

[5] BAOJIAN W ， WANLI L ， KE Y .Study on damage factor of ABAQUS concrete plastic damage model[C]//2019 International Conference on Advances in Construction Machinery and Vehicle Engineering （ICACMVE）.ACM，2019.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 混凝土结构设计规范：GB 50010—2010[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.