钢筋混凝土联肢剪力墙弹塑性分析.pdf
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1、第 2 7卷 第 1期 2 0 1 0年 3月 建筑科 学与 J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e 工程 学报 a n d Ci v i l En g i n e e r i n g Vo 1 2 7 No 1 M a r 2 01 0 文章编号 : 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 6 0 0 5 钢筋混凝土联肢剪力墙弹塑性分析 马 志林 , ( 1 西安建筑科技大学 土木工程 学院 , 陕西 西安 史庆轩 , 王 伟 7 1 0 0 5 5 ;2 新疆建筑设计研究 院 , 新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 0 2
2、 ) 摘 要 : 利 用三 维非 线性分 析程序 C ANNY 中的 纤维模 型模拟 墙肢 、 单轴 弹簧 模 型模拟 连 梁 , 对 钢 筋 混凝土联 肢 剪力墙进 行 了弹 塑性 分析 ; 在 与试验 结果进 行对 比分析 的基础 上 , 选取 了用 于钢 筋混凝 土剪力墙 非线性 分析 的三 线型 骨架滞 回模 型和合适 材料 的应 力一 应 变关 系进行 建模 ; 通过数 值 计算 分析 了轴压 比、 墙体 分布钢 筋 配筋率 、 边缘 构件 配筋 率 、 连 梁纵 筋 配 筋率 对钢 筋 混凝 土联 肢 剪 力墙 的承载 力 、 延性 、 破坏 形 态等的影 响 。结果表 明 : 轴
3、 压 比 、 墙 体 分 布钢 筋 配 筋率 、 边缘 构件 配筋 率对 钢 筋混凝 土联肢 剪 力墙 的受力性 能影 响较 大 , 连 梁的纵 筋配 筋率影 响较 小 ; 所 选模 型具 有有 效性 。 关键 词 : 钢 筋 混凝 土 ; 联肢 剪 力墙 ; 数值模 拟 ; 弹 塑性 分析 ; 纤 维模 型 中图分 类号 : TU3 1 3 文 献标 志码 : A El a s t o pl a s t i c Ana l y s i s o f Re i nf o r c e d Co n c r e t e Co u pl e d S h e a r W a l l s MA Z h i
4、 l i n ,S HI Qi n g x u a n ,W ANG W e i 。 ( 1 S c ho ol of Ci vi l Engi ne e r i ng,Xi a n Uni v e r s i t y o f Ar c hi t e c t ur e a nd Te c hn ol og y,Xi a n 7 1 00 55,Sha a nx i ,Chi na; 2 Xi i a n g Ar c h i t e c t u r e De s i g n a n d Re s e a r c h Gr o u p, ) r t i mq i 8 3 0 0 0 2 ,Xi
5、n j i a n g,Ch i n a ) Ab s t r a c t :Th e f i b e r m o d e l i n 3 - di me ns i o na l n onl i ne a r a n a l y s i s pr o g r a m CANNY wa s u s e d t o s i mu l a t e wa l l s, a nd t h e u ni a xi a l s p r i ng m o d e l wa s a d op t e d t o s i m u l a t e b e a ms El as t o pl a s t i c a
6、na l y s i s o f r e i nf or c e d c o nc r e t e c o up l e d s h e a r wa l l wa s c a r r i e d o ut Bas e d o n t he c o mpa r i s o n a na l y s i s wi t h t e s t r e s u l t,t h e t r i l i ne a r s k e l e t o n h ys t e r e s i s m o d e l a nd p r op e r ma t e r i a l s t r e s s s t r a
7、i n r e l a t i on s we r e s e l e c t e d f or s i mul a t i ng r e i n f o r c e d c o nc r e t e c o up l e d s he a r wa l l mo de 1 Thr ou g h n ume r i c a l c a l c u l a t i on s, t he i nf l u e n c e s o f d e s i g n pa r a m e t e r s , s uc h a s a xi a l c o mpr e s s i o n r a t i o,
8、 r e i nf o r c e m e n t r a t i o o f s t e e l ba r s f o r wa l l di s t r i b ut i o nr e i nf or c e m e nt r a t i o o f l o ng i t u di n a l ba r s f o r b e a m s a s we l l a s r e i n f o r c e m e nt r a t i o s o f ma r g i na l me mbe r s o n be a r i ng c a pa c i t y,du c t i l i t
9、y,f a i l u r e s ha Pe f or r e i n f o r c e d c o nc r e t e c o up l e d s he a r wa l l s we r e c o ns i de r e d The r e s u l t s i nd i c a t e t h a t t h e a x i a l c o m p r e s s i o n r a t i o,r e i n f o r c e m e nt r a t i o o f s t e e l ba r s f o r wa l l d i s t r i bu t i on,
10、r e i n f o r c e me n t s of ma r g i na l me mbe r s s i g ni f i c a nt l y a f f e c t t he me c h a ni c a l be h a v i o r o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o up l e d 8 h e fl r wa l l 5 ,a n d r e i n f o r c e me n t r a t i o o f l o n g i t u d i n a l b a r s f o r b e a ms l e s
11、 s a f f e c t t h e b e h a v i o r t h e a n a l y s i s m o d e l i S pr o v e d t O be e f f e c t i v e Ke y wo r ds :r e i nf or c e d c o nc r e t e ;c o u pl e d s he a r wa l l ;nu m e r i c a l s i m u l a t i o n;e l a s t o p l a s t i c a n a l ys i s ; f i be r m0 de 1 收稿 日期 : 2 0 0 9
12、l 1 2 2 基金项目: 国家 自然科学基金项 目( 5 0 7 7 8 1 4 9 ) ; 陕西省 自然科学基础研 究计划项 目( S J 0 8 E z 0 2 ) 陕西省教育厅 专项科研计划项 目( 0 7 J K2 9 1 ) 作者简介 : 马志林( 1 9 8 5 一 ) , 男 , 河南周 口人 , 工学硕士研究生, E ma i l : ma z h i l in 0 1 1 4 0 3 4 1 6 3 c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 马 志林 , 等 : 钢 筋混 凝 土联 肢 剪 力墙 弹 塑性 分析 6 1 0
13、引 言 高 层 建筑 结 构 中常 用 到钢 筋 混 凝 土剪 力 墙 , 它 能非 常 有 效 地 抵 抗 由 风 和 地 震 所 引 起 的 横 向 荷 载n 。联 肢剪 力墙 由刚 度 比适 中 的墙 肢 和 连 梁 组 成 , 常 用于剪 力墙 和简体 结 构 中 , 通过 连梁端 部 与墙 肢底部 出现 塑性 铰而 消耗地 震能量 。张展等 进 行 了变高宽比高性能混凝土剪力墙抗震性能的试验研 究 , 杜宏 彪 等 进 行 了不 同跨 高 比连梁 的联肢 剪 力 墙 的 P u s h o v e r 分析 , 李宏 男等 进行 了钢 筋 混凝 土 剪力墙 抗 震 恢 复力 模 型及
14、 试 验 研究 , 陈勤 等 进 行 了钢筋 混凝 土双 肢剪 力 墙 静 力 弹塑 性 分 析 , 建 立 了 短连梁 计 算 模 型 和 长 连 梁 计 算 模 型 。通 过 分 析 发 现 , 影 响联肢 剪力 墙 抗震 性 能 的主 要影 响 因素 是 轴 压比、 墙体分布钢筋不同配筋率、 边缘约束构件配筋 率、 连梁纵筋配筋率等 。本文 中笔者采用 大型三维 非线性 分析程 序 C ANNY, 考虑 以上 各 因素 的变 化 , 对钢筋 混凝 土双肢 剪力 墙进 行 了静 力 弹塑性 分析 。 l 联肢剪力墙模型 本 文 中的钢筋 混凝 土联 肢剪力 墙模 型来 自于文 献 E 7
15、, 由于文 献 E 7 2 中模 型 C W一 1 、 C W 3加 载 制度 有些 混乱 , 模拟 效果 不太 好 , 所 以只选 择 模 型 C W- 2 来进 行模 拟 。该 模 型共 有 5层 , 与原 型 的缩 尺 比例 为 1: 4 , 高度为 3 7 m, 宽度为 1 _ 6 I T I , 墙体厚度 为 7 0 mm, 具体 尺 寸 及 配 筋 见 图 1 、 2 。材 料 各 项 指 标 如下 : 混凝 土强 度 为 C 3 0 , 由 于混 凝 土 分 层 浇 筑 , 弹 性模 量 和 强 度 值 均 取 平 均 值 , 混 凝 土 抗 压 强 度 为 3 9 1 MP a
16、 , 抗拉 强度 为2 7 4 MP a , 弹性 模 量为 3 0 8 1 0 MP a ; 钢筋 强 度 等 级 为一 级 , 4钢 筋 极 限 强 度 为 7 9 6 9 MP a , 6钢 筋 屈 服 强 度 为 3 1 1 3 MP a , 8钢筋 屈 服 强 度 为 2 7 8 3 MP a , 钢 筋 弹性 模 量 为 2 1 1 0 M Pa。 2 材料本构关 系 2 1 混凝 土材料 的应 力一 应 变 关 系 混凝 土材 料 的应 力一 应变 关 系选 用三 折 线模 型 , 如 图 3所示 , 其 中 v为混 凝 土 开裂 前 刚 度退 化 点 应 力与极限应力的比值 ,
17、 。 为混凝土立方体抗压强度 , ,f f 。为混凝土强度达到峰值点时的应变 , E 为混凝土 弹性 模量 , 、 为 参 数 。 图 3能 反 映 出混 凝 土 材 料 的开 裂 、 屈 服 以及 下 降段 的弹性 模量 。在 低应 变 区 , 混凝土的切线模量与弹性模量相等, 简化了裂缝闭 合问题的处理, 提高了计算效率。 图 1模 型 尺 寸 ( 单 位 : mm) F i g 1 Mo d e l S i z e s( Un i t : mil 1 ) 3 中6 4 6 3 6 ( a ) 墙 肢 截 面 A A截 面 4 5 0 2 8 4 8 ( b ) 连 粱 截面 图 2 剪力
18、墙及连梁配筋 ( 单位 : mm) Fi g 2 R e i n f o r c e me n t s o f S h e a r Wa l l s a n d B e a ms( Un i t : mm) a C p | E m 、 、 1 U 整 : 7 0 z 0 图 3 混 凝 土材 料 的应 力- 应 变 关 系 Fi g 3 St r e s s - s t r a i n Re l a t i o n of Con c r e t e Mat e r i a l 由图 3可 以看 出 : 0 B段 ( 0 ) , 一E ,E 一E。 , v 一0 7 5, : E ; BC段 (
19、 e e o ) , 一 v 。 + 1 T , ( e 一 E ) , E 一 ( 一 ) ( e 0 一 ); CU 段 ( e 0 e f e ) , 一 一 Ed e s , Ed e s 一 ( 一1 ) ( 一1 ) ( e 。 ) , 其中 、 e 分别 为 i时刻 混凝 土 的应 力 和应 变 。对 于 混 凝 土 应 力 一 应 变 曲线 的下 降段关 系式 , 决 定 混 凝 土 刚度 下 降 的 2个参 数 为 和 , 这 2个参数的取值应分为约束混凝土和 非约束混凝土 2种情况进行分析。本文中约束混凝 。 I : : : : : : : : : : : : = E :
20、: : : : : : : : 占 T 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 2 建 筑科 学与工程 学报 2 0 1 0血 土主要用于反映剪力墙端部暗柱处受到矩形箍筋约 束作用 , 约束混凝土取2 =0 8 , 一5 0 ; 非约束混凝土 取 A =O 2, 一4 0 。 2 2钢筋 材料 的应 力一 应 变关 系 钢 筋材料 的应 力一 应 变 关 系选 用 三 线 型 对 称 模 型, 如图 4所示 , 其 中, 、 e 分别为钢筋的屈服应力 和屈服应 变 , E。 为钢 筋 的弹性模 量 , 为钢筋 屈服 前 刚度退化点应力与屈服应力的比值 , k为钢
21、筋硬化 极限强度点应变与材料屈服应变的 比值, 为抗压 屈 服后 的刚度 系数 , 能够 显示 材料 的开裂 强 度 和 屈 服 强度 。 口 y f V 。 y k s 图 4 钢 筋 材 料 的应 力一 应 变 关 系 Fi g 4 S t r e s s - s t r a i n Re l a t i on o f St e e I M a t e r i a l 由图 4可 以看 出 : 0 C 段 ( 0 5 时, 承载力反而有所下降, 因此 , 对剪力墙 的轴压 比要 有一 定 的限制 。 3 0 0 2 4 0 至 杂 1 8 0 茸 盖 1 2 0 世 6 O O l O 2
22、 0 3 0 4 0 顶点 位 移 mm 图 9 不 同轴 压 比 下 的底 部 剪 力一 顶 点 位移 曲 线 Fi g 9 Re l a t i o ns of Bas e S he ar Fo r c e s a nd To p Di s pl a c e m e nt s Un de r Di f f e r e nt Axi a l Compr e s s i o n Ra t i o s 4 3 墙体 分布 钢筋 配筋 率 的影 响 选 用 6 9 0 、 1 0 9 0 、 1 4 9 0三种 不 同直径 的墙 体 纵 向分布 钢筋进 行模 拟 , 图 1 O为不 同墙 体分 布
23、钢筋配筋率 P下的底部剪力一 顶 点位 移曲线。由 图 1 0可 以看 出 : 随着墙 体纵 向分 布钢 筋配 筋率 的增 大 , 结 构 的承 载力 有 显 著 的 提 高 。对 于 分 布钢 筋 配 筋率 较 大 的墙 体 , 墙 体剪 切斜 裂缝 得 到 了有 效抑 制 。 4 4边缘构 件 配筋 率的 影晌 在墙体边缘构件 中配置 6 、 g l O 、 1 4三种不同 纵 向钢筋 , 图 1 1为不 同边缘构件配筋率下的底部剪 力一 顶 点位 移 曲 线 。 由图 1 1可 以看 出 : 随着 边 缘 构 件 配筋 率增 大 , 结构 刚度 明显增 加 , 承载 力增加 比较 明显
24、, 但边缘构件配筋率对承载力的提高是有限的。 4 5 连梁 纵筋 配筋 率 的影 响 在 连梁 中配 置 8 、 1 0 、 1 2的纵 向钢 筋 , 仍 采 用 4 5 0的箍筋 , 图 1 2为 不 同连 梁 配筋 率 下 的底 部剪力一 顶点位移 曲线 。由图 1 2可以看 出: 随着连 梁配筋率的增大 , 结构的承载力提高不大 , 由于连梁 1 2 3 | 4 蚰 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 4 建 筑科 学与工程 学报 2 0 1 0丘 图 1 0 不 同墙体分布钢筋配筋率下 的底部剪力一 顶点位移 曲线 Fi g 1 0 Re l a t i
25、 on s o f Ba s e S he a r Fo r c e s a n d To p Di s p l a c e m e n t s Un d e r Di f f e r e nt Dist r i bu t e d Re i nf o r c e me nt Ra t i o s o f W a l I s 图 1 1 不 同边 缘 构 件 配筋 翠 下 的 底 部 剪 力一 顶 点 位 移 曲线 Fi g 1 1 Re l a t i o ns o f Bas e Sh e a r F or c e s a n d To p Di s pl a c e me nts Und
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- 钢筋混凝土 剪力 塑性 分析
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