不同轴压比下高强钢筋混凝土T形短肢剪力墙的延性分析
时间：2023-06-21 14:00:06 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张帅彬，关群 （合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）
随着我国城市建设的逐步推进，限于土地供应不足、住房紧缺的情况，我国出现了越来越多的高层建筑，而钢筋混凝土结构在这些建筑中又占有最大比重。为了满足抗震承载力要求和轴压比的限值，很多设计师会加大柱子的截面尺寸，这将严重影响房屋的空间使用布局和整体美观效果。对于框架结构而言，有抗侧刚度小，水平位移较大、施工复杂、人工成本高且施工受雨雪天气影响较大等缺点，于是在剪力墙的基础上衍生出了一种介于剪力墙体和异形柱的新型短肢剪力墙结构。由于短肢剪力墙的起步较晚，所以目前国内外对于高强钢筋作用下的高强混凝土短肢剪力墙的工程经验十分有限[1-3]。加上目前国内相关规范和理论研究成果尚不完善，所以在地震区域和台风区域全短肢剪力墙的应用十分受限，而T形短肢剪力墙作为一种常用的短肢剪力墙结构，目前国内研究还比较缺乏[4]，因此文章通过对T形短肢剪力墙配置尚未研究的HRB600MPa级钢筋进行分析。
1.1 试验模型
本试验模型均为1∶2等比例缩放，墙体的高度均为1400mm，混凝土保护层的厚度为20mm，截面高度依次为500mm、700mm，剪力墙的截面尺寸及钢筋配置如图1所示。
图1 构件尺寸及截面配筋图
1.2 模型的建立及材料本构关系
为了提高有限元非线性分析的精确度，本文采用了钢筋和混凝土分离式建模，选择了Embedded技术来模拟钢筋和混凝土之间的粘结，对于钢筋的本构模型选择了USTEEL02钢筋本构模型，这些对于非线性分析中混凝土达到极限荷载之后的脱落等引起的综合退化效果具有很好的模拟作用。对于混凝土本构采用的是本课题组基于张劲法推导出的适用于ABAQUS的混凝土塑性损伤因子的公式，如（1）、（2）所示，本文推导出来的混凝土本构如图2所示。
图2 混凝土本构关系
1.3 有限元模型的可行性验证
为了验证T形短肢剪力墙的钢筋本构、混凝土本构、混凝土的塑性损伤因子、试件边界条件和加载制度设定的合理性，选取文献[6]中编号为 TH-0.1（简称T-1）配置了高强钢筋的混凝土剪力墙进行数值模拟。文献[6]中T形剪力墙的翼缘宽度为800mm，翼缘厚度为100mm，腹板宽度为1000mm，腹板厚度为100mm。试验的轴压比为0.1，在模拟中利用在试件顶部建立耦合点RP-1模拟试验加载时加载梁均匀传递力的作用，并在耦合点处施加低周反复荷载，利用底部施加BC-2完全固定模拟试件底座的效果。钢筋本构采用清华大学开发出的PQ-Fiber子程序中的USteel模型，这样输出的滞回曲线更加符合实际情况。
模拟计算的滞回曲线对比如图3所示，各个荷载和位移对比如表1所示，可以发现在屈服阶段，正负向屈服位移均在5%左右，屈服荷载均在4%左右。在加载极限阶段，正负向位移均在7%左右，正负向荷载均在3%。说明两者各个阶段的结果都比较接近，也验证了文中模拟方法和模型建立的准确性。
图3 验证组构件滞回曲线对比图
实验与模拟结果对比表 表1
文中T形短肢剪力墙采用与实际1∶2等比例缩放的试件进行模拟，试件的最终模型如图4所示，构件的参数如表2所示。
图4 T形短肢剪力墙最终模型
构件主要参数 表2
骨架曲线就是指在低周反复荷载试验中，将荷载-位移曲线中的滞回环的峰值点连接而成的包络曲线。骨架曲线是反复荷载作用下每次循环达到最大峰值点的轨迹曲线，是反映构件耗能能力、延性、刚度、屈服荷载和极限承载力的重要指标。
骨架曲线的三个特点是：在位移加载控制的过程中，加载初期骨架曲线呈现线弹性发展的阶段，此时的荷载-位移增长呈现一种直线增长；
随着位移继续施加，荷载的增长速度逐渐变缓，直至达到构件的极限承载能力，此时为骨架曲线的强化阶段；
随着位移的继续施加，变形不断增大，构件的荷载却在逐渐降低，此时为构件的强度退化阶段。
T形短肢剪力墙在低周反复荷载作用下腹板端部荷载最大，此处混凝土最先破碎，钢筋也最先屈服。因为在地震作用下，沿腹板端部进行的正向加载对于整个试件来说更加薄弱，也是整个试件最先破坏的部位，所以文中对正向受力侧的骨架曲线进行研究。通过模拟，不同参数条件下构件骨架曲线如图5～图7所示。
图5 轴压比组骨架曲线
图6 混凝土强度组骨架曲线
图7 纵筋强度组骨架曲线
①对比构件DZ500-1、DZ500-2、DZ500-3和DZ500-4可以看出，各轴压比的构件都有明显的线弹性阶段、强化阶段和强度退化阶段。构件DZ500-1的轴压比为0.2，DZ500-2的轴压比为0.3，DZ500-3的轴压比为0.4，DZ500-4的轴压比为0.5，构件DZ500-4相对于DZ500-1等试件的初始刚度更大，更早进入屈服阶段，同时DZ500-4相对于DZ500-3的峰值点更大，DZ500-3的峰值点大于DZ500-2，DZ500-2的峰值点大于DZ500-1，同时峰值点越大的试件下降段的斜率也越大。综上可得，随着轴压比的提高，骨架曲线的峰值点会提高，同时达到峰值点之后的曲线下降段斜率会增大，延性更差。
②通过图6可以发现，C40和C60强度等级构件曲线的上升段和下降段速率基本一致，而C80强度等级构件的曲线速降段速率明显增大，这说明高强混凝土会加大构件破坏的脆性，而且HRB600级钢筋对C60级别以下的混凝土具有很好的普适性。
③暗柱纵筋强度组各构件的骨架曲线如图7所示，构DQ700-2的峰值荷载和极限承载力都要小于DQ700-3，DQ700-2的峰值荷载和极限承载力相较于DQ700-1都有显著提升，同时可以看出在达到峰值荷载之后三条曲线的刚度退化速率没有明显差别，只有在达到破坏位移之后纵筋强度较大的DQ700-3试件发生了曲线速率的陡降。
综上可得，纵筋强度的提高可以明显提高构件的峰值荷载和极限承载力。三个构件的极限位移角基本相同，所以构件的变形几乎相同。分析可得，暗柱纵筋强度的提高，尤其是高强钢筋的使用可以有效提高构件的极限荷载和承载能力。
自20世纪60、70年代以来，以R.Park和T.Paulay为首的一批国外学者们在结合具体地震灾害实例和已有理论知识的基础上，提出了不同延性抗震设计理论，我国也对结构延性做了不少的研究，结合国内外研究通过三种延性系数体现结构延性性能。本文基于短肢剪力墙位移-曲率关系，结合上文ABAQUS有限元模拟结果计算屈服位移、极限位移等相关数据，从而求得位移延性系数是结构抗震性能的重要指标，足够的延性能够保证短肢剪力墙在地震作用下产生较多的裂缝而不倒塌，从而保证构件具有足够的安全性。根据结构破坏过程中延性的大小，可分为脆性破坏和延性破坏。相对于在达到峰值荷载之后就突然破坏的脆性破坏，延性破坏在结构达到最大荷载之后随着荷载降低仍能承受较大的位移变形。9片试件的荷载、位移和延性数值如表3所示，延性的大小是结构在地震作用下破坏形态的重要参数指标[7]。
试件各阶段荷载、位移和延性系数表 表3
①通过对比构件DZ500-1、DZ500-2、DZ500-3和 DZ500-4的各个阶段的承载能力可以发现，轴压比越大的试件屈服位移越小，说明构件进入屈服阶段所发生的变形越小，DZ500-4的极限位移也明显小于DZ500-3，DZ500-2的极限位移也明显大于DZ500-3，DZ500-1的极限位移也明显大于DZ500-2，同时构件的延性也随着轴压比的增大逐渐降低。综上可得，随着轴压比的增大，构件的屈服位移和极限位移越小，构件的延性更差，尤其是在高轴压比的情况下，延性降低地更迅速。
②通过对比DH700-1、DH700-2、DH700-3可以发现,混凝土强度等级更高的DH700-3的极限承载能力和峰值荷载明显高于DH700-2，混凝土强度等级较低的DH700-1的峰值荷载和极限承载能力小于DH700-2，但是DH700-3到达峰值荷载后的曲线斜率更大，DH700-2的曲线斜率次之，DH700-1的曲线斜率最小，在达到破坏后的阶段，发现DH700-1、DH700-2和DH700-3三个试件的斜率基本相同，刚度退化速率相近。综上可得，混凝土强度等级的提高可以提高构件的极限承载力和峰值荷载，但是同时会对构件的延性有一定的降低。
③对比700组试件，DQ700-1的延性 为 2.28，DQ700-2 的 延性 为 2.32，DH700-2的延性为2.43，这是因为高强混凝土的存在需要高强钢筋的协同作用才更好地发挥作用。综上可得，配置高强混凝土的构件，随着纵筋强度的提高，构件的延性也会随之改善。
通过ABAQUS有限元软件对不同轴压比、配筋率、钢筋强度、混凝土强度和剪跨比条件下的端部加强的T形短肢剪力墙进行分析，并与未进行端部加强的T形短肢剪力墙进行对比，得到如下结论。
①轴压比虽然可以提高构件的承载能力，但是同时也会显著减低构件的延性，尤其是高轴压比对于构件延性的降低更加明显，因此在实际施工中应该对轴压比限值进行严格控制。
②钢筋强度和混凝土强度都可以提高构件的承载能力，但是高强混凝土的使用必须配置高强钢筋，否则会对构件的延性造成明显的降低；
通过对延性的分析，可以看出配置高强钢筋的短肢剪力墙综合抗震性能要远好于普通钢筋混凝土剪力墙。
③700组试件的延性相较于500组试件有明显降低，说明相同轴压比下，T形短肢剪力墙的延性受剪跨比的影响，在实际工程中应该对构件的剪跨比进行严格设计。
猜你喜欢轴压延性剪力墙复合材料修复含裂纹圆管的轴压承载特性研究舰船科学技术(2022年20期)2022-11-28民用建筑结构设计中短肢剪力墙技术应用建材发展导向(2021年12期)2021-07-22剪力墙结构设计应用浅析建材发展导向(2021年12期)2021-07-22碳纤维三向织物约束混凝土轴压力学性能研究纺织科学与工程学报(2020年1期)2020-06-12安徽省《高延性混凝土应用技术规程》解读安徽建筑(2020年3期)2020-04-17基于强震动数据的等强度延性谱影响因素分析地震研究(2019年4期)2019-12-19非加劲钢板剪力墙显著屈服位移角的研究建材发展导向(2019年10期)2019-08-24关于建筑结构设计中剪力墙设计的探讨消费导刊(2018年10期)2018-08-20矩形钢管截面延性等级和板件宽厚比相关关系浙江大学学报（工学版）(2016年2期)2016-06-05B和Ti对TWIP钢热延性的影响汽车文摘(2015年8期)2015-12-15
