新配筋方案联肢剪力墙的有限元仿真分析

王新黎，刘清山

(河南大学土木建筑学院，河南开封 475004)

新配筋方案联肢剪力墙的有限元仿真分析

王新黎，刘清山

(河南大学土木建筑学院，河南开封 475004)

钢筋混凝土联肢剪力墙具有较好的抗震性能，是现代高层结构中常用的结构形式，而洞口连梁是墙肢之间的传力纽带，其强度、刚度和变形性能决定联肢剪力墙的抗震性能。因此设计高延性、良好塑性耗能的小跨高比连梁联肢剪力墙是国内外研究人员至今有待解决的问题之一。本文基于刘清山等人的试验研究，用ABAQUS非线性分析了沿连梁截面高度配置分层封闭箍筋，并在箍筋顶、底部纵筋靠近墙肢1/4梁高的长度范围内套上PVC套管，且墙肢底部约束边缘构件采用分段配箍、墙肢端部1/4墙宽度范围内纵筋外部套上PVC套管的新配筋方案。分析结果表明，新配筋方案不仅施工简便，结构的受剪承载力、延性和变形也有所提高。

钢筋混凝土； 联肢剪力墙； 小跨高比连梁； 非线性分析

联肢剪力墙结构作为同时抵抗竖向力和水平力的构件，被现代高层建筑结构所经常使用，其表现形式为剪力墙上沿竖向开有一列或多列较大的洞口，多出现于框架-剪力墙和框架-核心筒结构中[1]。有时出于结构上和建筑上的需求，洞口连梁的跨高比不得不偏小，这样就会形成跨高比在0.5～2.5之间的小跨高比连梁[2]，其作用剪力与作用弯矩之比很大，名义剪应力也较高，与跨高比较大的普通相比，其受力和变形性能都有很大的差别。为了保证高延性和良好塑性耗能的抗震性能的要求，本文基于刘清山、王英俊和窦勇[3-5]的研究分析了一种联肢剪力墙的新配筋方案，即沿连梁截面高度配置分层封闭箍筋，并在箍筋顶、底部纵筋靠近墙肢1/4梁高的长度范围内套上PVC套管进行无粘结处理，且在墙肢底部约束边缘构件采用分段配箍、墙肢端部1/4墙宽度范围内纵筋外部套上PVC套管进行无粘结处理，取代普通连梁配箍形式。这种新配筋方案联肢剪力墙不仅施工简便，也提高了剪力墙结构的延性和变形，且受剪承载力也提高了。

1 模型理论依据

地震作用下，钢筋混凝土联肢剪力墙的洞口连梁是墙肢之间的传力纽带。国内外静力和动力实验[6-9]结果都已证明连梁的强度、刚度和变形性能对联肢剪力墙的抗震性能有很大的影响。所以连梁的设计是保证延性剪力墙的关键，而墙肢的安全又是结构裂而不倒的重要保证，二者是密切相关的。

连梁的破坏形式可分为弯曲型破坏、弯曲剪切型破坏和剪切型破坏三种。其中有抗震设防要求的连梁不允许在纵筋屈服之前出现剪切破坏及其他破坏形式，随着跨高比的减小，连梁由弯曲破坏逐渐转向弯剪破坏甚至剪切破坏。为了使连梁耗散地震能量的能力达到最大，国内外学者进行了很多实验研究[6-9]，各种配筋方案连梁均有不同的优缺点。

2006年，西安建筑科技大学[3]提出了分段封闭箍筋连梁的配筋，这种新配筋方案连梁是在弹性有限元分析得到的主压、拉应力迹线和软化桁架模型的启发下提出的。由于沿连梁截面高度配置了三层箍筋，每层箍筋的拉力传递给构造钢筋，并在此处得到平衡，从而传递给混凝土的拉力明显降低，这就减少了其软化程度[10]，提高了桁架-拱模型中斜压杆的承载力。王英俊和窦勇[4-5]在分层配箍的基础上，采用局部无粘结技术，分别将连梁顶、底部纵筋靠近墙肢1/4梁高的长度范围和墙肢端部1/4墙宽度范围内纵筋外部套上PVC套管进行改进。当增加套管以后，虽然在受荷初期容易产生裂缝，但由于混凝土不受纵筋的拉伸，在接近承载力阶段降低了混凝土的软化现象，连梁和墙肢的抗剪承载力和延性提高了。

2 ABAQUS非线性有限元仿真分析

2.1 剪力墙结构有限元模型

为了对比新配筋方案联肢剪力墙结构与普通配筋联肢剪力墙结构受力性能的差异，本文以一个实际工程为实例，普通配筋采用实际工程的设计参数，新配筋除了箍筋采用分层配箍和采用局部无粘结外，其他参数均与普通配筋联肢剪力墙相同，剪力墙边缘构件采用T形截面，连梁采用矩形截面，两个试件的配筋情况如表1，试件尺寸及配筋形式如图1。

2.2 材料的本构模型

混凝土的本构模型，采用ABAQUS提供的混凝土损伤塑性模型，混凝土损伤塑性模型的应力-应变关系采用《混凝土结构设计规范》[11]给出的混凝土本构关系。采用C30混凝土，弹性模量为3.0×104MPa，泊松比为0.2。钢筋的应力-应变曲线采用各项同性的理想弹塑性本构模型，即理想双折线模型，并使用Von Mises屈服准则。

表1 试件配筋情况

图1 试件的尺寸及配筋方式

2.3 仿真分析结果

联肢剪力墙试件有限元分析的荷载-位移骨架曲线如图2所示。在加载的初期阶段，两个试件的荷载与位移曲线几乎重合且成正比增加，随着荷载的增大，两个试件连梁端部和墙肢底部逐渐出现塑性铰，试件的承载力与位移成曲线发展。当位移较大但荷载基本处于稳定时，可认为联肢剪力墙试件已达到屈服状态，此时对应的荷载即屈服荷载。从图2可以看出，普通配设一层封闭箍筋的连梁构成的联肢剪力墙试件的屈服荷载、最大水平荷载均低于新配筋方案的连梁构成的联肢剪力墙试件。表2的计算结果表明，新配筋方案的连梁构成的联肢剪力墙试件在屈服后经过较长时间的变形才达到极限承载力，后期承载力较大，位移延性系数也较高，耗能能力较好。箍筋分段封闭,其对混凝土的约束作用优于普通配筋小跨高比连梁构成的联肢剪力墙,因而其延性和变形性能好。

图2 荷载-位移曲线

构件最大位移/mm最大水平荷载/kN屈服位移/mm屈服荷载/kN位移延性系数SW-1(普通配筋)7．99408．801．81284．494．41SW-2(新配筋)12．20461．151．89296．936．46

3 结论

(1)新配筋方案的连梁构成的联肢剪力墙的抗剪极限承载力比普通配筋连梁构成的联肢剪力墙高。

(2)无论是连梁还是墙肢，新配筋方案的连梁构成的联肢剪力墙沿对角线的压应力区分布范围更广，可使剪力墙在更大的范围内承受压力。

(3)新配筋方案因有三排箍筋通过梁腹的构造钢筋连接，最终连梁发生弯曲破坏，连梁的延性要好于普通配筋的连梁。

[1] 陈云涛，吕西林．联肢剪力墙抗震性能研究——实验和理论分析[J]．建筑结构学报，2003，24(4)：25-34

[2] 李方圆，梁兴文，张涛.新配筋方案小跨高比连梁受剪承载力计算[J]．建筑结构，2009，39(8)：48-51

[3] 刘清山．抗震剪力墙小跨高比连梁的理论分析及试验研究[D]．西安建筑科技大学，2006

[4] 王英俊．分段封闭箍筋小跨高比连梁改进方案的计算机仿真研究[J]．开封：河南大学学报，2012，42(3)：322-325

[5] 窦勇．联肢剪力墙基于位移的抗震设计及实验研究[D]．开封：河南大学，2012

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[7] I.A.Tegos, G.Gr.Penelis. Seismic Resistance of Short Columns and Coupling Beams Reinforced with Inclined[J] Bars.ACI Structural Journal .Jan-Feb 1998:82-88

[8] 曹征良．双功能钢筋混凝土连梁的试验研究[D]．南京工学院，1987

[9] Yahya C.Kurama, QuangShen. Positioned Hybrid Coupled Walls under Lateral Loads[J].Journal of Structural Engineedng,2004,130(2):297-309

[10] 刘建新．考虑剪力墙刚度退化时高层框-剪结构框架地震内力的实用确定方法[J]．建筑结构， 1991，(10)：17-20

[11] GB 50010—2010混凝土结构设计规范[S]

王新黎(1989～)，女，硕士研究生，研究方向：结构评估与加固。

TU311.41

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[定稿日期]2014-10-13