短肢剪力墻非線性力學(xué)模型以及地震反應(yīng)分析

張興

摘要：短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式，由于其建筑功能、結(jié)構(gòu)受力和工程造價均較合理，近年來在我國得到了廣泛地應(yīng)用和發(fā)展。但短肢剪力墻在地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗不多，尚缺少深入的研究和實際地震的考驗。為安全起見，對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的研究，可以完善設(shè)計理論以及規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，為抗震設(shè)計提供必要的參考依據(jù)。結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)的計算機模擬分析技術(shù)是研究結(jié)構(gòu)非彈性地震反應(yīng)規(guī)律的基本工具與手段之一，不僅具有理論上的意義而且具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：短肢剪力墻；幾何非線性；力學(xué)模型；地震反應(yīng)分析

1．短肢剪力墻結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

隨著人民生活水平的提高，對房屋的使用功能也提出了較高的要求，加之用地緊張，使住宅建筑也越來越向高層發(fā)展。由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系具有建筑功能良好、平面布置靈活、部分墻體可以采用輕質(zhì)隔熱材料等優(yōu)點，近年來在我國住宅建筑中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。近年興起的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，有利于住宅建筑布置，又可進一步減輕結(jié)構(gòu)自重，但短肢剪力墻抗震性能較差，地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗不多。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式，兼有框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，其建筑功能、受力性能和工程造價均較合理，近年來在我國得到了廣泛地應(yīng)用和發(fā)展。顯見，規(guī)程中的這些規(guī)定是建立在地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗不多基礎(chǔ)上的，尚缺少深入的研究和實際地震的考驗。針對短肢剪力墻的研究，目前主要集中在抗震性能的試驗研究和抗震計算分析及設(shè)計的層次，理論分析模型的研究較少。對于短肢剪力墻非線性分析理論和分析模型的研究很少，分析結(jié)論認(rèn)為短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)良，適合于度區(qū)推廣。

2．短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的基本受力性能

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系是一種新興的結(jié)構(gòu)體系，目前對其受力性能的研究主要集中在抗震性能的試驗研究和抗震分析與設(shè)計的層次，理論分析模型的研究很少。構(gòu)件的計算模型是構(gòu)件受力和變形性能的理想化形式，建立合理的計算模型必須對構(gòu)件的受力特點、破壞形式等有一個全面的認(rèn)識。只有這樣才能正確反映構(gòu)件的主要受力和破壞特點，使計算模型更加符合構(gòu)件實際受力性能。

2.1短肢剪力墻破壞形態(tài)分析

不同形式的構(gòu)件有不同的破壞形式，對破壞形態(tài)的認(rèn)識是建立計算模型的基礎(chǔ)。剪力墻的破壞形態(tài)一般可分為三種，即彎曲破壞、剪彎破壞和斜壓破壞。彎曲破壞的剪力墻剪跨比較大，裂縫主要以水平裂縫為主，破壞時混凝土在彎矩作用下被壓碎；滯回曲線呈弓形，“捏攏”現(xiàn)象比較嚴(yán)重，試件的屈服點不明顯，破壞時非常突然，強度退化不明顯，是典型的脆性破壞；發(fā)生斜壓破壞的剪力墻一般剪跨比較小，在反復(fù)荷載的作用下，在構(gòu)件腹部形成明顯交叉的斜裂縫，并延伸至底部附近形成主裂縫隙，最終造成底部混凝土大面積壓碎破壞。破壞階段，受壓區(qū)混凝土壓碎現(xiàn)象嚴(yán)重，縱筋受壓變形明顯，部分縱筋壓屈外鼓。需要指出的是，在實際結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的剪跨比與單個構(gòu)件試驗時的剪跨比會有很大的不同。在影響剪力墻抗剪強度的另外幾個重要因素混凝土的抗剪強度、構(gòu)件的軸壓比和箍筋的抗剪強度中，構(gòu)件的軸壓比在地震荷載作用下是不可控因素，混凝土強度對構(gòu)件抗剪強度的影響相對較小，而通過改變箍筋的用量，可以很大程度上提高結(jié)構(gòu)的抗剪強度。

2.2剪力滯效應(yīng)影響分析

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在側(cè)向荷載作用下，由于腹板傳遞的剪力流在腹板附近要大一些，而在翼緣板內(nèi)傳遞的過程中，由于板的剪切變形，拉應(yīng)力會逐漸變小如果按初等梁理論算出的應(yīng)力為。而實際截面上發(fā)生的應(yīng)力則稱為剪力滯系數(shù)。如果翼緣板處的正應(yīng)力小于初等梁理論計算值，則稱之為負(fù)剪力滯現(xiàn)象；如果翼緣板處的正應(yīng)力大于初等梁理論的計算值，稱之為正剪力滯現(xiàn)象。通過有限元法計算了腹板縱向正應(yīng)力的分布情況，對構(gòu)件的剪力滯效應(yīng)進行了描述。對不同長度構(gòu)件在側(cè)向荷載作用下，幾何參數(shù)和荷載形式對剪力滯系數(shù)的影響也有所不同。底部固接的短肢剪力墻在側(cè)向荷載作用下，翼緣板內(nèi)的剪力滯系數(shù)沿長度方向分布是不均勻的，正剪力滯僅在底部產(chǎn)生，頂端產(chǎn)生負(fù)剪力滯現(xiàn)象，甚至可能有壓應(yīng)力產(chǎn)生。高層結(jié)構(gòu)中的短肢剪力墻，由于高寬比較大，剪力滯效應(yīng)對其側(cè)移剛度的影響很小。

2.3異形截面構(gòu)件中性軸偏移與斜彎曲

由于截面材料剛度不均勻，截面的中性軸會發(fā)生偏移現(xiàn)象，不再通過截面的形心，而且沿整個桿長方向各截面的彈塑性狀態(tài)不同，其偏移量也不相同。同時由于彈塑性階段截面材料切線剛度不均勻，將導(dǎo)致構(gòu)件截面的主慣性軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)，而與原主慣性軸不再平行，對于異形截面構(gòu)件更是如此。

2.4短肢剪力墻彈塑性性能有限元分析

短肢剪力墻屬于強肢弱梁型結(jié)構(gòu)，連梁的屈服先于墻肢的屈服。水平裂縫首先在墻肢的底部出現(xiàn)，隨著水平荷載的增加，自下向上發(fā)展，墻肢底部的縱向受拉鋼筋逐漸屈服。隨著水平荷載的增加，高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，連梁屈服首先從中間靠下的樓層開始，其它各層也陸續(xù)屈服。此后，隨著荷載的增加，底層受拉墻肢達到開裂彎矩而出現(xiàn)水平裂縫，剪力墻的側(cè)向剛度有較明顯減小，繼續(xù)增加水平荷載，上部墻肢也相繼開裂。改變墻肢截面高厚比、混凝土強度等級、連梁跨高比和軸壓比等因素，對雙肢短肢剪力墻的承載能力和變形能力都有一定的影響。通過改變這些參數(shù)可以調(diào)整短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的承載能力和變形能力，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計中應(yīng)綜合考慮這些參數(shù)的影響，以提高結(jié)構(gòu)的彈塑性受力性能。

3．短肢剪力墻地震反應(yīng)分析

結(jié)構(gòu)非彈性地震反應(yīng)的計算機模擬分析技術(shù)，不受時空條件的限制，節(jié)省人力物力，易于跟蹤結(jié)構(gòu)受力的全過程，適用于對結(jié)構(gòu)進行大量的參數(shù)分析研究等，彌補了結(jié)構(gòu)試驗中的若干不足，因而成為研究結(jié)構(gòu)非彈性地震反應(yīng)規(guī)律的重要工具與手段之一。求解系統(tǒng)的動力響應(yīng)問題計算計算量很大，在建筑結(jié)構(gòu)中往往會采用樓板平面外剛性假定，由于該假定在多數(shù)的情況下是可以接受的。鋼筋對鋼筋混凝土構(gòu)件的受力性能有至關(guān)重要的影響，在反復(fù)加卸載過程中，鋼筋的狀態(tài)確定與其加載歷史有關(guān)，選擇一個可靠的、能考慮各種復(fù)雜加載路徑的鋼筋應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系是確保程序計算精度的前提。

由于目前還難以找到考慮壓剪偶合的混凝土剪切滯變模型，本文假定短肢剪力墻的破壞是受壓破壞為主，采用僅考慮拉壓狀態(tài)來確定剪切剛度的方法。模擬結(jié)果正確反應(yīng)了各種短肢剪力墻構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的受力性能，并與實驗結(jié)果顯示出良好的一致性。驗證了本文理論的正確性和所研制的結(jié)構(gòu)非線性分析程序求解問題的有效性與可靠性，從而可以代替部分實驗，為結(jié)構(gòu)抗震性能研究提供了一個非常有力的手段最后。完成了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的動力特性分析和非線性時程分析，結(jié)果表明短肢剪力墻結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，結(jié)構(gòu)的薄弱部位位于底部，在構(gòu)件設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)加強。

4.結(jié)論

根據(jù)基于有限單元柔度法纖維單元模型，本文研制了結(jié)構(gòu)非線性分析程序，實現(xiàn)了鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)材料與幾何雙重非線性問題的模擬。程序的研制采用模塊化編程思路，各模塊之間相對獨立，通過接口進行連接，可以根據(jù)計算需要接入不同的模塊，從而完成不同的計算功能。最后，完成了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的動力特性分析和非線性時程分析，結(jié)果表明短肢剪力墻結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，結(jié)構(gòu)的薄弱部位位于底部，在構(gòu)件設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)加強。

參考文獻

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