帶端柱高強混凝土剪力墻非線性有限元的參數(shù)分析
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
帶端柱高強混凝土剪力墻非線性有限元的參數(shù)分析
劉 佳
利用有限元軟件ABAQUS建立帶端柱高強混凝土剪力墻的非線性有限元模型，采用有限元軟件ABAQUS中的混凝土損傷模型，考慮材料非線性，進行數(shù)值模擬分析，并將數(shù)值分析結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，驗證了有限元模型的合理性和可靠性。在此基礎(chǔ)上，分析了軸壓比、剪跨比、邊緣約束構(gòu)件箍筋間距和縱筋配筋率對剪力墻抗震性能的影響。
1 有限元分析模型
1.1 試驗概況
對參考文獻中的6片帶端柱高強混凝土剪
力墻試件進行了模擬分析。試件采用混凝土的強度等級為C80，縱筋采用HRB400，分布鋼筋采用HPB300，箍筋采用高強鋼絲。在剪力墻的兩端設(shè)置端柱。試件參數(shù)如表1，試件的截面尺寸和配筋圖見圖1。
1.2材料參數(shù)
1.2.1 鋼筋
本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，即二折線形式的彈性強化模型，如圖2所示。屈服后的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系簡化為平緩的斜直線。鋼材屈服強度和極限強度均取試驗實測值，彈性模量Es=2.1×l05MPa，屈服后的彈性模量Es=0. O1Es，泊松比0.3。
1.2.2 混凝土
1)混凝土損傷彈塑性模型
選取ABAQUS中的損傷塑性模型模擬混凝土的性能，該模型將損傷指標引入混凝土模型，對混凝土的彈性剛度矩陣加以折減。塑性流動法則為非關(guān)聯(lián)流動法則，塑性勢面采用Drucker-Prager雙曲線函數(shù)。
2)混凝土的本構(gòu)關(guān)系
在帶端柱高性能混凝土剪力墻截面中，混凝土分為約束區(qū)和非約束區(qū)，約束邊緣構(gòu)件的混凝土考慮箍筋的約束作用，采用Mander等提出的約束高強混凝土應(yīng)力一應(yīng)變的試驗曲線。非約束區(qū)混凝土受壓應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系和混凝土受拉應(yīng)力一應(yīng)變曲線采用規(guī)范附錄C建議的公式。
1.3剪力墻模型的建立
帶端柱高強混凝土剪力墻有限元模型尺寸采用試件實際尺寸。試件分為5部分，中間墻、上部加載梁、底部基礎(chǔ)梁和左右端柱，用Tie功能將各個部分連接在一起。混凝土采用減縮積分實體單元C3D8R，既可保證分析精度，又可防止產(chǎn)生剪力自鎖而導(dǎo)致分析失敗，鋼筋采用T3D2單元。利用Embed功能將鋼筋嵌入混凝土內(nèi)，鋼筋和混凝土單元共用節(jié)點，視為剛性連接。對試驗的加載方式及過程進行模擬時，為了避免由于局部荷載過大導(dǎo)致的單元模型局部變形過大，考慮采用參考點與加載面耦合的方法進行水平加載。按照試驗的加載方式，首先在試件頂部施加豎向荷載，然后再施加水平荷載。邊界約束條件為基礎(chǔ)梁底部全部節(jié)點固接。
單元的劃分和單元的大小對計算的準確性和收
斂性影響很大。既要保證計算結(jié)果的準確性，又要確保計算過程穩(wěn)定收斂。根據(jù)剪力墻試件的大小及端柱、中間墻體的尺寸，將端柱和中間墻體區(qū)域的單元劃分為50mm×50mm×50mm。加載梁和基礎(chǔ)梁對分析結(jié)果的影響較小，為縮減計算時間，提高計算效率，其網(wǎng)格劃分可適當(dāng)放大些，劃分為lOOmm×lOOmm×lOOmm，有限元模型如圖3所示。
2 計算結(jié)果與參數(shù)分析
2.1 計算結(jié)果
有限元數(shù)值分析得到水平荷載作用下試件的水平荷載·位移曲線，并將其與試驗骨架曲線進行對比，對比結(jié)果如圖4所示。從圖中可知，數(shù)值分析曲線的剛度稍大于試驗值，極限位移比試驗得到的極限位移值偏小，其原因在于有限元考慮的混凝土為理想均質(zhì)模型，而實際的材料為非均質(zhì)材料，試件內(nèi)部存在一定缺陷。從整體來看，數(shù)值分析曲線與試驗曲線吻合較好，兩者的峰值荷載比較接近，總體走勢相一致，驗證了有限元模型的合理性和可靠性。
2.2參數(shù)分析
通過數(shù)值模擬分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)結(jié)果對比可知兩者吻合較好，表明所建立的有限元模型是能正確地反映剪力墻的實際受力狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，建立了多個不同參數(shù)下的帶端柱高強混凝土剪力墻非線性有限元模型，分析研究軸壓比、剪跨比和約束邊緣構(gòu)件箍筋間距及縱筋配筋率等參數(shù)對剪力墻抗震性能的影響。
2.2.1 軸壓比
在試件DHPCW-01的基礎(chǔ)上，分別取軸壓比為
0.1~0.8進行分析。不同軸壓比下的荷載一位移曲
線如圖5所示。由圖5可知，隨著軸壓比的增大，剪
力墻的極限承載能力逐漸提高，但極限位移逐漸減
小，延性系數(shù)逐漸減小。
由圖6可知，隨著軸壓比的增大，試件的屈服荷載和峰值荷載均逐漸增大。
從圖7可以看出，隨著軸壓比的增大，試件的延性系數(shù)逐漸減小，抗震性能逐漸變差。當(dāng)軸壓比大于0.7時延性系數(shù)為2. 82，小于3.0，不能滿足抗震設(shè)計的延性需求，因此為保證剪力墻的抗震性能，建議高強混凝土剪力墻的軸壓比不超過0.7。
2.2.2剪跨比
在試件DHPCW-02、DHPCW-04、DHPCW-06的基礎(chǔ)上，分析了剪力墻剪跨比在1.0、1.5、2.1、2.5、3.0和3.5下的受力性能。圖8、圖9和圖10分別為不同剪跨比下試件荷載一位移曲線、剪跨比與試件承載能力曲線和剪跨比與延性系數(shù)曲線。
由圖8可以看出，隨著剪跨比的減小，剪力墻的承載能力逐漸提高，極限位移逐漸下降。
從圖9可以看出，隨著剪跨比的增大，剪力墻的屈服荷載和峰值荷載均逐漸減小，但減小的趨勢逐漸趨于緩和。
由圖10可知，隨著剪跨比的減小，延性系數(shù)逐漸減小，表明剪力墻的抗震性能逐漸變差，因此對于剪跨比較小的低矮剪力墻，應(yīng)采取可靠的措施以保證其具有足夠延性和抗震性能，對其軸壓比限值應(yīng)控制得更嚴格，箍筋間距應(yīng)布置得更密。
2.2.3 邊緣約束構(gòu)件箍筋間距
在DHPCW-01和DHPCW-02的基礎(chǔ)上，分析剪力墻在邊緣約束構(gòu)件箍筋間距為50mm、60mm和70mm情況下的受力和變形能力，圖1 1和圖12為箍筋間距與承載能力曲線和箍筋間距與極限位移曲線。
由圖可知，隨著箍筋間距的加密，剪力墻的承載能力稍提高，極限位移增大，故布置合理的箍筋間距，雖對剪力墻承載力的提高有限，但對提高剪力墻的延性和抗震性能有較大作用。
2.2.4 邊緣約束構(gòu)件縱筋配筋率
在DHPCW-01基礎(chǔ)上，建立不同邊緣約束構(gòu)件縱筋配筋率的有限元模型，縱筋配筋率分別取值為1.5 010、2.0%、2.6%、3.0%、3.7%和4.2%。圖13和圖14分別為縱筋配筋率與承載能力曲線和縱筋配筋率與延性系數(shù)曲線。
由圖可以看出，隨著邊緣約束構(gòu)件縱筋配筋率的增大，剪力墻屈服荷載總體變化幅度不大，接近于平直線，峰值荷載逐漸增大，延性系數(shù)先增大，在配筋率為2.0%時達到最大，隨后逐漸減小。故對剪力墻邊緣約束構(gòu)件的縱筋配筋率并不是越大越好，應(yīng)選取合適的配筋率，以保證剪力墻具有較好的抗震性能和經(jīng)濟性。
3 結(jié)論
1)通過ABAQUS有限元軟件對6片帶端柱高強混凝土剪力墻進行非線性分析，得到荷載一位移曲線，與試驗骨架曲線吻合較好，說明用該程序分析帶端柱高強混凝土剪力墻能保證足夠精度。
2)從數(shù)值分析結(jié)果可知，隨著軸壓比的增大，剪力墻屈服荷載和峰值荷載逐漸提高，極限位移和延性系數(shù)逐漸減小，表明剪力墻的彈塑性變形能力和抗震性能逐漸變差，故應(yīng)嚴格控制剪力墻的軸壓比限值，建議高強混凝土剪力墻的軸壓比不宜大于0. 7。
3)隨著剪跨比的減小，剪力墻的屈服荷載和峰
值荷載均逐漸增大，但破壞位移和延性系數(shù)逐漸減小，表明抗震性能逐漸降低。對于低矮剪力墻，為保證剪力墻具有足夠的抗震性能，應(yīng)采取合理有效的措施，對低矮剪力墻的軸壓比限值應(yīng)控制得更嚴格，箍筋間距應(yīng)布置得更密。
4)隨著箍筋間距的加密，剪力墻的承載能力稍有提高，極限位移逐漸增大，布置合理箍筋間距，雖對提高剪力墻承載力有限，但對提高剪力墻的延性和抗震性能有較大作用。
5)隨著邊緣約束構(gòu)件縱筋配筋率的增大，剪力墻屈服荷載變化幅度不大，接近于平直線，峰值荷載逐漸增大，延性系數(shù)先增大，在配筋率為2. 0%時達到最大，隨后逐漸減小。
4評述:
采用有限元軟件ABAQUS中的混凝土損傷模型，考慮材料非線性，建立帶端柱高強混凝土剪力墻的非線性有限元模型，進行數(shù)值模擬分析，并將數(shù)值分析結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，驗證了有限元模型的合理性和可靠性。在此基礎(chǔ)上，分析了軸壓比、剪跨比、邊緣約束構(gòu)件箍筋間距和縱筋配筋率對剪力墻抗震性能的影響。研究結(jié)果表明：隨著軸壓比的增大，承載能力逐漸增加，延性系數(shù)逐漸減�。浑S著剪跨比的減小，承載能力逐漸增加，延性系數(shù)逐漸減�。浑S著邊緣約束構(gòu)件箍筋間距增大，承載能力和延性系數(shù)均逐漸減��；隨著約束邊緣構(gòu)件縱筋配筋率的增大，承載能力稍有增大，延性系數(shù)先增大后逐漸減小。
下一篇: 彈性膠泥緩沖器的新研究及特性分析
