基于ABAQUS的RC剪力墻力學(xué)性能研究

摘要：利用ABAQUS有限元軟件對(duì)鋼筋混凝土（RC）剪力墻在不同荷載條件下的力學(xué)性能進(jìn)行了深入研究。通過(guò)建立精確的三維有限元模型，模擬了剪力墻在受壓和受拉狀態(tài)下的應(yīng)力分布、變形特性以及損傷演化。研究結(jié)果揭示了剪力墻在受力過(guò)程中的關(guān)鍵力學(xué)行為，包括應(yīng)力集中區(qū)域、變形模式和損傷發(fā)展過(guò)程。研究為剪力墻的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論支持，有助于提高建筑結(jié)構(gòu)的整體性能和安全性。

關(guān)鍵詞：ABAQUS RC剪力墻 力學(xué)性能 有限元分析

中圖分類號(hào)：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

在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋼筋混凝土（Reinforced Concrete，RC）剪力墻因其高效的空間利用和良好的抗側(cè)力性能，已成為高層建筑中不可或缺的結(jié)構(gòu)元素[1]。剪力墻的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到建筑的穩(wěn)定性，還直接影響到結(jié)構(gòu)的使用壽命和維護(hù)成本。因此，深入研究剪力墻在各種荷載作用下的力學(xué)行為，對(duì)于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高結(jié)構(gòu)性能具有重要意義。有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）作為一種先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)，為結(jié)構(gòu)工程師提供了一種在不依賴實(shí)體試驗(yàn)的情況下，預(yù)測(cè)和分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)的有效工具。通過(guò)ABAQUS進(jìn)行的數(shù)值模擬，可以精確地模擬剪力墻在復(fù)雜受力狀態(tài)下的應(yīng)力分布、變形特性以及損傷演化，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)[2-5]。本文將利用ABAQUS軟件對(duì)RC剪力墻進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值模擬研究，旨在探討在不同荷載條件下剪力墻的力學(xué)性能。通過(guò)模擬分析，本文將揭示剪力墻在受力過(guò)程中的關(guān)鍵力學(xué)行為，包括應(yīng)力集中區(qū)域、變形模式以及損傷發(fā)展過(guò)程。研究成果將為剪力墻的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論支持，有助于提高建筑結(jié)構(gòu)的整體性能。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻的截面高度為2 000 mm，寬度為1 000 mm，厚度為125 mm，高寬比為2.0。剪力墻的底部為固定支承，頂部受到一個(gè)軸向壓力和一個(gè)水平力的作用。軸向壓力為24.6 kN，水平加載位移不低于50 mm。剪力墻的中間區(qū)域每側(cè)設(shè)置5根直徑6 mm縱向鋼筋，相鄰鋼筋的間距為100 mm，邊緣約束區(qū)域的長(zhǎng)度為200 mm，每側(cè)設(shè)置3根直徑為10的縱向鋼筋，相鄰鋼筋的間距為90 mm?；炷恋谋Ｗo(hù)層厚度為10 mm，箍筋直徑為6 mm，間距為80 mm。剪力墻試件加載和結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2所示。

2 ABAQUS有限元模型

ABAQUS是一款先進(jìn)的有限元分析（FEA）軟件，它以其強(qiáng)大的求解器、豐富的材料模型庫(kù)和用戶友好的操作界面，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)、熱、流體動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域的工程分析。利用ABAQUS對(duì)RC剪力墻進(jìn)行力學(xué)性能分析流程如圖3所示。

2.1 有限元網(wǎng)格

首先利用ABAQUS的前處理模塊創(chuàng)建剪力墻的精確三維幾何模型，為了確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)剪力墻模型進(jìn)行了細(xì)致的網(wǎng)格劃分（如圖4所示）。采用C3D8R單元類型來(lái)模擬混凝土部分，這種單元類型能夠較好地處理混凝土的非線性行為。對(duì)于鋼筋部分，采用T3D2單元進(jìn)行模擬，以考慮鋼筋的軸向和彎曲效應(yīng)。網(wǎng)格劃分過(guò)程中，特別關(guān)注剪力墻的關(guān)鍵區(qū)域，如邊緣、轉(zhuǎn)角和配筋密集區(qū)域，以確保這些區(qū)域的網(wǎng)格密度足夠高，能夠捕捉到細(xì)微的應(yīng)力變化。

2.2 本構(gòu)模型與材料參數(shù)

在ABAQUS中，為了準(zhǔn)確地模擬RC剪力墻的力學(xué)行為，必須正確定義混凝土和鋼筋的材料本構(gòu)模型及其參數(shù)。本構(gòu)模型是描述材料在受力過(guò)程中應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性?；炷恋膿p傷塑性模型（CDP模型）參數(shù)根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）[6]進(jìn)行設(shè)置，以模擬混凝土在受力過(guò)程中的剛度退化和損傷累積。CDP模型主要參數(shù)如下。

2.2.1損傷因子

損傷因子用于描述混凝土在受力過(guò)程中的損傷程度。在ABAQUS中，損傷因子和分別用于描述拉伸和壓縮損傷。損傷因子的計(jì)算公式如下：

式（1）中：、分別表示拉伸和壓縮損傷的塑性應(yīng)變與非彈性應(yīng)變的比例系數(shù)；、分別表示拉伸和壓縮的非彈性應(yīng)變。

2.2.2應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

在拉伸和壓縮狀態(tài)下，混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以通過(guò)以下公式表示：

式（2）中，、分別表示拉伸和壓縮應(yīng)力；、分別表示相應(yīng)的應(yīng)變；、分別表示拉伸和壓縮的塑性應(yīng)變。

2.2.3塑性應(yīng)變

塑性應(yīng)變是通過(guò)損傷因子和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系計(jì)算得出的，公式如下：

式（3）中，分別表示拉伸開裂應(yīng)變；分別表示拉伸破壞應(yīng)力；分別表示壓縮非彈性應(yīng)變；分別表示壓縮屈服應(yīng)力。

鋼筋的本構(gòu)關(guān)系采用雙線性等效塑性模型，以考慮其屈服后的塑性變形。邊界條件的設(shè)置模擬了剪力墻在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的約束狀態(tài)，包括固定支撐和荷載施加方式?；炷梁弯摻畹牟牧蠀?shù)如表1和表2所示。

3 結(jié)果分析

圖5顯示的是RC剪力墻在豎直向下和水平向右荷載狀態(tài)下的損傷云圖，包含了損傷因子的分布情況，損傷因子的值越接近1，表示該區(qū)域的損傷越嚴(yán)重，材料的性能退化越顯著?？梢钥闯鍪軌簱p傷因子數(shù)值從左到右遞增，墻體右下角部分損傷因子最大，這表明在荷載作用下，右下角容易先發(fā)生受壓破壞；從受拉損傷云圖來(lái)看，墻體左側(cè)部分受拉損傷嚴(yán)重，這與實(shí)際相符合。表示平均損傷因子值為75%，這意味著剪力墻整體上已經(jīng)出現(xiàn)了相當(dāng)程度的損傷。

圖6為墻體頂部水平推力與水平位移關(guān)系（荷載-位移曲線），當(dāng)水平位移達(dá)到26 mm時(shí)，水平推力達(dá)到最大13.9 kN，位移在26～50 mm，水平推力有所降低。從圖5中可以看出，曲線顯示了墻體在受到水平推力作用下的響應(yīng)，包括其剛度、承載能力和變形特性，具體分析如下。

（1）初始剛度。在位移較小的區(qū)域，曲線呈現(xiàn)出較高的斜率，這表明墻體在初始階段具有較高的剛度。這意味著在小位移范圍內(nèi)，墻體能夠承受較大的推力而只產(chǎn)生較小的位移。（2）線彈性階段。在曲線的開始部分，推力與位移之間的關(guān)系近似線性，這表明墻體在這個(gè)階段遵循胡克定律，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。（3）剛度退化。隨著位移的增加，曲線的斜率開始減小，這表明墻體的剛度開始退化。這種退化可能是由于墻體內(nèi)部的裂縫擴(kuò)展或材料的塑性變形導(dǎo)致的。在這個(gè)階段，墻體的承載能力開始下降，但仍然能夠承受較大的推力。（4）極限承載能力。曲線的峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)于墻體的極限承載能力，在這個(gè)點(diǎn)之后，墻體的承載能力開始下降，推力無(wú)法繼續(xù)增加，而位移則迅速增大。（5）破壞在極限承載能力之后，如果推力繼續(xù)減小，而位移繼續(xù)增加，這表明墻體已經(jīng)發(fā)生了破壞。在這個(gè)階段，墻體無(wú)法再承受額外的推力，結(jié)構(gòu)的安全性受到威脅。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)RC剪力墻進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬，成功地模擬了剪力墻在復(fù)雜受力狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)。研究結(jié)果表明，損傷云圖能夠有效地展示剪力墻在受壓和受拉狀態(tài)下的損傷分布，而荷載-位移曲線則直觀地反映了剪力墻的剛度、承載能力和破壞過(guò)程。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解剪力墻在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有重要意義，為結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)和評(píng)估剪力墻時(shí)提供了寶貴的信息。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步探討剪力墻在不同材料組合、不同加載路徑以及長(zhǎng)期荷載作用下的性能，以期為剪力墻的設(shè)計(jì)提供更全面的指導(dǎo)。

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