双连梁双肢剪力墙结构抗震有限元分析

蒋 华 朱飞强 孙登坤

(1.武昌首义学院，湖北 武汉 430064； 2.武汉市江夏区城乡建设局，湖北 武汉 430060； 3.武汉和创建筑工程设计有限公司，湖北 武汉 430071)



双连梁双肢剪力墙结构抗震有限元分析

蒋 华1朱飞强2孙登坤3

(1.武昌首义学院，湖北 武汉 430064； 2.武汉市江夏区城乡建设局，湖北 武汉 430060； 3.武汉和创建筑工程设计有限公司，湖北 武汉 430071)

采用ANSYS有限元软件，建立了双连梁和深连梁双肢剪力墙试件模型，对比分析了两种剪力墙在单调力加载下的各项抗震性能指标，结果表明，双连梁双肢剪力墙的抗震性能较深连梁剪力墙更优。

双连梁，双肢剪力墙，抗震性能，ANSYS

0 引言

在高层建筑中，剪力墙结构或框架—剪力墙结构因其较好的抗震性能被广泛应用。实际工程中，因开洞跨度小以及保证联肢墙具备足够侧向刚度等因素，连梁多被设计成深连梁。大量震害表明，双连梁剪力墙结构因跨高比较大，抗震性能比跨高比较小的深连梁剪力墙更优[1]。丁永君等人[3]对高强钢筋高强混凝土双连梁剪力墙结构与单连梁剪力墙结构进行低周往复荷载下的抗震试验研究，对比分析两者的承载力、滞回特性、延性、耗能能力，结果表明双连梁剪力墙结构较小跨高比的单连梁剪力墙结构承载力降低了20%～30%、延性增加约30%、耗能能力增加约20%；范重等人[4-7]自2009年开始持续研究剪力墙结构中的连梁问题，先后提出多连梁、宽连梁等改进措施，并进行相应的抗震试验研究。

本文在前人的震害经验总结、试验研究和结构设计软件研究的基础上，在不改变洞口位置和大小的前提下，通过ANSYS有限元分析软件建立双连梁双肢剪力墙和深连梁双肢剪力墙试件模型，并进行数值计算，对比分析了两者的承载力、延性、刚度、滞回特性和耗能能力，再次肯定双连梁对剪力墙结构抗震性能的增强效果及应用价值。

1 有限元模型建立

本文依据文献[2]中试验，选取两片四层高性能混凝土短肢剪力墙按1/3缩尺进行模型设计，墙体尺寸如图1所示。其中，DW是在SW的连梁中央位置开一道100 mm宽的缝槽，形成双连梁。两模型连梁配筋均为4φ8的纵筋和φ4@30的箍筋。

1.1 材料模型

为简化计算，本文所建的剪力墙模型中钢筋和混凝土的强度按《混凝土结构设计规范》来确定，混凝土材料的主要输入参数见表1。

表1 混凝土材料系数

1.2 剪力墙有限元模型

ANSYS建模中，剪力墙、连梁分别采用整体式、分离式建模，构件单元混凝土、钢筋分别采用Solid65,Link8；忽略钢筋、混凝土间的相对滑移；网格划分时，两种单元在接触点耦合所有自由度，即使钢筋与混凝土共同工作；地梁下端视为固定端约束，即对地梁底部所有节点施加全约束。

1.3 加载模型

为较全面地分析双连梁的抗震性能，本文建立了单调加载和低周反复荷载加载制度。ANSYS计算时，在单调荷载制度下采用荷载步级为10 kN，子步数30，收敛准则为力收敛，收敛条件取0.05，程序默认值为0.001；在反复循环荷载制度下，荷载步级及收敛条件均同前，子步数取为50。

2 有限元分析

2.1 承载力和延性

1)荷载—位移曲线分析。

在单调加载方式下，两剪力墙模型的荷载—位移曲线如图2所示：加载初期，SW和DW两模型的荷载—位移曲线基本重合，且荷载与位移呈线性关系；当荷载加大到约170 kN时，DW开始屈服，位移较荷载有显著增长，而SW的荷载在位移发生微小变化的同时继续增加。对比整个加载过程，DW从屈服到极限状态间，结构在保持较高承载能力的同时变形也随之增加，呈现出良好的塑性和延性；SW虽然极限承载力明显高于DW，但在屈服后结构迅速破坏，延性差。这些现象也可由表2的对比结果中看出。

表2 剪力墙有限元模型荷载值、位移值

编号屈服位移/mm屈服荷载/kN极限位移/mm极限荷载/kN延性系数DW18.11651612008.90SW14.42181132417.84

2)破坏形态。

SW,DW两模型在各加载阶段的裂缝分布情况如图3所示。开裂阶段，两模型的初始裂缝均出现在二层梁的左下角，其中DW的初始裂缝出现在双连梁的下部梁上。随荷载增加，SW裂缝陆续出现在每层连梁的左下角和右上角，并沿竖向发展，逐渐形成竖向裂缝；DW的每层连梁裂缝则从端部向中间缓慢发展。到达极限状态时，SW连梁裂缝迅速向受拉墙肢延伸，促使墙肢过分开裂而导致结构整体迅速破坏；而DW在荷载高达一定值时，先是双连梁因裂缝密布而破坏，随后受拉墙肢底部出现多处开裂，直至整个剪力墙破坏。对比两片墙的破坏形态可知，DW较SW能更好地发挥连梁作为第一道抗震防线的作用；DW在破坏前从连梁到墙肢裂缝充分而缓慢的发展，使结构延性增强。

2.2 滞回性能和耗能能力分析

两种剪力墙模型在水平往复荷载作用下的荷载—位移曲线如图4所示。由图4可见，在逐级加载至120 kN的过程中，SW模型的滞回曲线几乎呈直线，而DW的滞回曲线出现了捏拢现象，滞回环的形状较为饱满。

3 结语

通过对双连梁、深连梁双肢剪力墙模型进行有限元计算及对比分析，本文得出结论如下：

1)双连梁剪力墙(DW)结构因连梁槽缝的开挖导致截面尺寸减小、刚度削弱，从而使结构整体承载力较深连梁剪力墙(SW)偏低；

2)DW的破坏是先双连梁受弯破坏后墙肢受拉破坏且裂缝发展过程长而缓慢，塑性和延性远远优于SW，且能很好地发挥连梁作为第一道抗震防线的作用；

3)DW的滞回曲线较SW更为饱满，耗能能力明显优于SW。

综上，双连梁剪力墙较深连梁剪力墙具有更好的延性和耗能能力，更利于抗震；但双连梁的尺寸设计、连梁形式的改变对结构刚度的削弱等问题待进一步的研究来解决。

[1] 王亚勇.汶川地震建筑震害启示——抗震概念设计[J].建筑结构学报，2008,29(4):20-25.

[2] 李奎明，孙春毅，李 杰.高性能混凝土双连梁短肢剪力墙试验研究[J].地震工程与工程振动，2006,26(3):121-123.

[3] 丁永君，于敬海，李 端.高强钢筋高强混凝土双连梁剪力墙抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2015,36(3):56-63.

[4] 范 重，李 波，范学伟.超高层建筑剪力墙短连梁有效配筋形式研究[J].建筑结构，2009,36(S1):496-499.

[5] 范 重，刘学林，黄彦军.超高层建筑剪力墙设计与研究的最新进展[J].建筑结构，2011,41(4):33-43.

[6] 范 重，刘 畅，吴 徽.多连梁剪力墙抗震性能研究[J].建筑科学与工程学报，2014,31(4):125-134.

[7] 刘 畅，范 重，朱 丹.宽连梁剪力墙及其抗震性能研究[J].建筑结构学报，2015,36(3):46-55.

Finite element analysis on dual binding beam coupled shear wall structure

Jiang Hua1Zhu Feiqiang2Sun Dengkun3

(1.WuchangShouyiCollege,Wuhan430064,China; 2.WuhanJiangxiaBureauofUrban-RuralBuilding,Wuhan430060,China; 3.WuhanHechuangBuildingEngineeringDesignCo.,Ltd,Wuhan430071,China)

Applying ANSYS finite element software, the paper establishes dual binding beam and deep coupled shear wall testing model, comparatively analyzes various seismic resisting performance of two kinds of shear wall under monotonic loading force. Results show that: comparing to the seismic resisting performance of deep continuous beam shear wall, the seismic resisting performance of dual binding beam coupled shear wall is more optimal.

dual binding beam, coupled shear wall, seismic performance, ANSYS

1009-6825(2017)10-0065-02

2017-01-20

蒋 华(1986- )，女，讲师； 朱飞强(1985- )，男，工程师; 孙登坤(1984- )，男，工程师

TU352

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