超高性能混凝土剪力墙抗剪承载力分析

钟益东,童小龙,甘文举

(湖南理工学院 土木建筑工程学院,湖南 岳阳 414006)

超高性能混凝土剪力墙抗剪承载力分析

钟益东,童小龙,甘文举

(湖南理工学院 土木建筑工程学院,湖南 岳阳 414006)

对超高性能混凝土UHPC(Ultra-High Performance Concrete)剪力墙在单向水平荷载作用下的受力过程进行了非线性有限元分析.重点分析了轴压比、剪跨比、暗柱纵筋配筋率、暗柱箍筋配箍率、分布钢筋配筋率等因素对UHPC剪力墙抗剪承载力的影响.结果表明:UHPC混凝土剪力墙抗剪承载力高,延性较好,值得在工程领域应用.随着轴压比的增大,承载力先增大后减小,延性大幅下降,应该严格控制轴压比; 随着剪跨比增大,破坏形态发生变化,承载力减小; 随着暗柱纵筋配筋率的增大,承载力增大; 暗柱箍筋体积配箍率及分布钢筋的增大对承载力的影响不很明显.

超高性能混凝土; 剪力墙; 非线性有限元; 抗剪承载力

引言

目前,国内外学者对普通混凝土剪力墙进行了较系统的试验和理论研究,并提出了相应的设计方法,但对高强、高性能混凝土剪力墙的研究相对较少,现有的研究主要集中在改善其延性和抗震性能方面[1,2].超高性能混凝土UHPC具有极高的断裂能、较高的韧性、高的抗压强度和优异的耐久性能,其抗压比强度(抗压强度与密度之比)较高,约为普通混凝土的7倍、普通钢材的2倍[3,4].国内外对UHPC的材料性能进行了较深入的研究,对UHPC梁和墩柱进行了研究[5～7],但对UHPC剪力墙的研究鲜见文献报道.

作为高层结构中主要抗侧力构件,剪力墙抗震性能的优劣对整体结构影响很大,剪力墙结构设计时,应在保证抗剪承载力的前提下不削弱其抗震延性.本文对UHPC剪力墙进行单向水平荷载作用下的非线性有限元分析,对影响抗剪承载力的因素进行参数分析.

1　有限元模型及材料本构关系

1.1模型的建立

采用有限元分析软件ABAQUS对UHPC剪力墙进行数值模拟分析.模型采用分别建立钢筋网和混凝土墙体的分离式建模,通过embedded命令将钢筋网直接嵌入混凝土中.其中,混凝土采用八节点三维缩减积分实体单元C3D8R,钢筋采用两节点线性三维桁架单元T3D2.

数值模拟时,剪力墙底端固定不动,首先在刚性加载梁上施加预定的竖向荷载,并保持不变; 随后在加载梁上持续施加水平荷载,水平加载采用位移控制.

1.2材料本构关系

1.2.1UHPC本构关系

UHPC受压应力—应变关系为[5]:

其中cσ和cf分别为压应力和棱柱体抗压强度; ε和0ε分别为压应变和峰值点应变;uε为极值点应变;,E0和SE分别为初始弹性模量和峰值点割线模量.依文献[8],E0用下式计算:

UHPC受拉应力—应变关系为[5]:?

其中σt、εt分别为拉应力和拉应变; Ec为抗拉弹性模量; ft为抗拉极限强度,εt0为峰值拉应变,εtu为极限拉应变.

采用 ABAQUS 提供的 Concrete Damage Plasticity 模型定义UHPC的非弹性行为,其破坏机理是混凝土的拉伸开裂和压缩破碎,破坏表面采用受拉和受压等效塑性应变来控制.单轴拉伸时,应力应变关系在达到破坏应力前为弹性阶段,材料达到破坏应力时即产生微裂纹,超过破坏应力后,由于微裂纹群逐渐形成,导致材料宏观力学性能软化; 对于单轴压缩来说,材料达到初始屈服应力值前为弹性阶段,屈服后是硬化段,超过极限应力后为应变软化.当从应力应变关系曲线的软化段上卸载时,卸载段被弱化,这说明材料的弹性刚度发生了损伤[12].Concrete Damage Plasticity 模型采用损伤因子来描述混凝土的损伤性能.采用文献[13]的计算方法来计算UHPC混凝土的损伤因子.

1.2.2钢筋本构关系

钢筋本构关系采用图1理想弹塑性模型,其中fy为钢筋的抗拉屈服强度,满足Von Mises屈服准则.

图1　钢筋应力应变关系

1.3模型其他参数设定

为准确定义Concrete Damage Plasticity 模型中混凝土的受压行为,剪胀角根据多次试算取30°; 流动势偏移值取缺省值 0.1; 双轴与单轴极限抗压应力的比值取 1.16; 拉伸与压缩子午面上第二应力不变量的比值取 0.67; 粘性参数取 1×10-5.为了方便计算,不考虑钢筋粘结滑移的影响.

2　剪力墙有限元模型的试验验证

鉴于目前尚无UHPC剪力墙试验的数据,对文献[2]中编号为HPCSW-06、HPCSW-07的2片剪跨比2.1的C80混凝土剪力墙试件进行有限元模拟分析,试件的基本情况见表 1.暗柱纵筋采用HRB400,墙体竖向和水平分布钢筋采用HRB335,箍筋采用HPB235.暗柱纵筋配筋:7.58%; 箍筋:φ6@40; 墙体竖向向钢筋:10@100,水平钢筋:10@60.根据《混凝土结构设计规范》[14]确定C80混凝土的单轴受压和受拉应力—应变曲线.有限元分析结果与试验结果的对比见图2,两者抗剪承载力较为接近,但荷载—位移曲线的形状有所偏差,主要是由于没有考虑钢筋与混凝土之间的黏结滑移,导致分析曲线的初始刚度均略大.

表1　剪力墙构件的基本参数

图2　有限元分析与试验结果对比

3　UHPC剪力墙的抗剪承载力分析

UHPC剪力墙基本情况如图3所示,其中两端100mm范围内设有暗柱,暗柱纵筋采用HRB400,墙体竖向和水平分布钢筋、暗柱箍筋均采用HPB300,钢筋材料参数见表2.图4为剪力墙的有限元模型.以轴压比n、暗柱纵筋配筋率ρs、暗柱箍筋体积配箍率ρv、水平分布钢筋配筋率ρsh、竖向分布钢筋配筋率ρsv等参数为变量,分析其变化对UHPC剪力墙极限荷载、屈服荷载和位移延性系数的影响.用于参数分析的剪力墙对上述变量取值为:n=0.1、ρs=3.14%、ρv=1.963%、ρsh=0.5383%、ρsv=0.531%.以下的分析中,如果某一参数未被选作变量,则取值保持上述值不变.

表2　钢筋材料参数

图3　几何尺寸及配筋示意图

图4　剪力墙有限元模型

3.1轴压比的影响

轴压比在0.1～0.3之间时,随着轴压比增大,极限荷载和屈服荷载均增大; 当轴压比在0.3～0.6之间时,随着轴压比增大,极限荷载和屈服荷载均减小,分析结果如图5所示.位移延性系数随轴压比增大而减小,当轴压比大于0.3时,减小幅度趋于平缓,如图6所示.

图5　轴压比与极限、屈服荷载

图6　轴压比与位移延性系数

3.2剪跨比的影响

剪跨比对RPC剪力墙的极限荷载、屈服荷载和位移延性影响系数均较大.剪跨比为1时,构件极限荷载为820.73kN,位移延性影响系数为3.14; 随着剪跨比增大至3,构件极限荷载减小至304.13 kN,位移延性影响系数增大为5.03,延性明显增强,构件破坏趋于弯曲破坏.

3.3暗柱纵筋配筋率的影响

图8和图9分别为改变暗柱纵筋配筋率和箍筋配箍率的结果.随着配筋率的增大,极限荷载和屈服荷载稳步上升,但暗柱体积配箍率的增加对极限荷载和屈服荷载几乎没有影响.

图7　剪跨比与极限、屈服荷载

图8　暗柱纵筋配筋率与极限、屈服荷载

图9　暗柱箍筋体积配箍率与极限、屈服荷载

3.4分布钢筋配筋率的影响

分析表明,水平分布钢筋配筋率从0.3768%增大至0.7536%,极限荷载和屈服荷载基本不变,见图10所示.极限荷载和屈服荷载随竖向分布钢筋的增加呈线性增大,增大的幅度很小,见图11.

图10　水平分布钢筋配筋率与极限、屈服荷载

图11　竖向分布钢筋配筋率与极限、屈服荷载

4　结论

本文对UHPC剪力墙进行了单向水平荷载作用下的非线性有限元分析,基于分析结果可以得到以下主要结论:

(1) ABAQUS有限元软件能较好的模拟剪力墙试件的受力状态、破坏形态及变形性能.

(2) 轴压比和剪跨比对UHPC剪力墙的抗剪承载力和延性影响较大.随着轴压比的增大,承载力先增大后减小,延性大幅下降,应该严格控制轴压比; 随着剪跨比增大,破坏形态发生变化,延性增大显著,抗剪承载力减小.

(3) 暗柱纵筋配筋率的增大对极限荷载有利,暗柱箍筋体积配箍率、水平分布钢筋配筋率和竖向分布钢筋配筋率对抗剪承载力影响不大.

[1] 梁兴文,邓明科,张兴虎,等.高性能混凝土剪力墙抗震性能设计理论的试验研究[J].建筑结构学报,2007,28(5):80～88

[2] 方小丹,李照林,韦 宏,等.高配筋率边缘约束构件高强混凝土剪力墙抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2011,32(12):145～153 [3] 方 志,杨 剑.FRP及 RPC在土木工程中的研究与应用[J].铁道科学与工程学报,2005,2 (4):54～64

[4] Richard P,Cheyrezy M.Composition of Reactive Powder Concretes[J].Cement and Concrete Research,1995:25(7):1501～1511

[5] 杨 剑.CFRP预应力筋超高性能混凝土梁的受力性能研究[D].长沙:湖南大学博士学位论文,2007

[6] 任 亮,方 志,王 诚.考虑双轴水平力耦合效应的RPC箱型桥墩恢复力模型试验[J].地震工程与工程震动,2012,32(2):152～159

[7] 郝文秀,阎贵平,钟铁毅.反复荷载作用下活性粉末混凝土空心桥墩力学性能的试验研究[J].铁道学报,2009,31(5):60～64

[8] 单 波.活性粉末混凝土基本力学性能的试验与研究[D].长沙:湖南大学硕士学位论文,2002:35～50

[9] 原海燕.配筋活性粉末混凝土受拉性能试验研究及理论分析[D].北京:北京交通大学博士学位论文,2009:56～64

[10] 刘传乐.CFRP预应力筋RPC梁的抗疲劳性能研究[D].长沙:湖南大学硕士学位论文,2009

[11] Graybeal A B.Characterization of the Behavior of Ultra- high Performance Concrete[D].Maryland:University of Mary- land,2005

[12] 王金昌,陈页开.ABAQU在土木工程中的应用[M].杭州:浙江大学出版社,2006

[13] 张 劲,王庆扬,胡守营.ABAQUS混凝土损伤塑性模型参数验证[J].建筑结构,2008,38(8):127～130

[14] GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010

Shear Bearing Capacity of Ultra-High Performance Concrete Shear Wall

ZHONG Yi-dong,TONG Xiao-long,GAN Wen-ju
(College of Civil Engineering and Architecture,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

This paper uses nonlinear finite element analysis upon the basic behavior of Ultra -high performance concrete shear wall subjected to monodirectional lateral load,and studies the effect of axial load ratio,shear span ratio,the ratio of hidden column longitudinal,the volumetric ratio of hidden column and the ratio of web reinforcement on the shear bearing capacity.The research shows that:the bearing capacity of UHPC shear wall is high; the displacement ductility of UHPC shear wall is well.With the increased of axial load ratio,the bearing capacity is first increased and then decreased,the ductility drop significantly,so axial load ratio should be strictly controlled; With the shear span ratio increased,the destruction of morphological change and the bearing capacity increase; With the ratio of hidden column longitudinal increasing,the bearing capacity increase; the volumetric ratio of hidden column,the ratio of web horizontal reinforcement and the ratio of web vertical reinforcement effect on bearing capacity are not very obvious.

ultra-high performance concrete; shear wall; nonlinear FEM; shear bearing capacity

TU375

A

1672-5298(2015)01-0055-04

2014-11-06

国家级大学生创新创业训练计划项目(201410543005); 湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目(湘教通[2014]248号)

钟益东(1993- ),男,湖南益阳人,湖南理工学院土木建筑工程学院2011级本科生.主要研究方向:混凝土结构设计

童小龙(1983- ),男,湖南岳阳人,湖南大学博士生,湖南理工学院土木建筑工程学院讲师.主要研究方向:结构抗震设计