型钢混凝土剪力墙有限元力学性能研究

余 涛,马中原

(1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司,武汉 430071;2.中信建筑设计研究有限公司,武汉 430077)

1 设计概况

以某换流站高端阀厅为例进行研究,由于结构的特殊性,剪力墙只在翼缘承受竖向荷载,而剪力墙的腹板不承受竖向荷载[1-4]。加载分为两个方向,一组沿剪力墙腹板方向加载,另一组沿翼缘方向加载,模型尺寸如图1所示,剪力墙高为1 200 mm。

2 单元类型的选择

ANSYS软件中,SOLID65单元是用于模拟钢筋混凝土的实体单元,用其实体性能来模拟混凝土,用其加筋性能来模拟钢筋的作用[5];采用LINK8单元模拟钢筋,该单元仅承受轴向力作用;SHELL181单元来模拟型钢,并认为型钢的腹板与翼缘为刚性连接。

3 本构关系

1)混凝土本构模型 ANSYS软件中有很多非线性材料的本构模型,适用于混凝土的本构主要有MISO(多线性等向强化模型)和MKIN(多线性随动模型)。通过实例对比,两种模型的计算结果相差不大。选用MKIN多线性随动模型,该模型可以使用下降段。

2)钢材本构模型 钢筋和型钢均采用理想弹塑性模型本构模拟。

4 有限元模型的建立

1)网格划分

建立的型钢混凝土剪力墙模型各种材料网格划分如图2所示,型钢、钢筋与混凝土分别采用不同的单元,所有材料的单元尺寸均为100 mm。

2)边界条件及荷载施加

型钢混凝土剪力墙模型底部完全刚接,荷载施加分两步进行。第一步,通过轴压比得到型钢混凝土剪力墙模型截面的轴力,换算出相应均布荷载的大小,施加在加载梁的顶部截面上;第二步,将型钢混凝土剪力墙加载梁侧面截面上的有限元节点进行耦合,使所选截面上所有节点的位移同步,最后在主节点上施加水平荷载。

5 有限元计算结果

型钢混凝土剪力墙模型沿腹板方向加载数值模拟过程,经历了弹性、塑性和破坏三个阶段。

1)弹性阶段

在此阶段,由于水平荷载较小,模型整体变形不大。剪力墙翼缘两端以及腹板底部应力先后达到开裂值,说明混凝土发生开裂现象,剪力墙混凝土应力如图3所示。此阶段钢筋和型钢都还未达到屈服应力,因此无明显应变。

2)塑性阶段

当水平荷载继续增大,剪力墙腹板底部纵筋和型钢均达到屈服,模型沿腹板受拉方向加载(反向加载)已经屈服,此时模型混凝土应力如图4(a)所示。当剪力墙翼缘底部纵筋和型钢达到屈服应力时,判定模型沿腹板受压方向加载(正向加载)已经屈服,此时模型混凝土应力如图4(b)所示。继续进行加载,可以观察到开裂应力面积不断向上扩展,且该应力区域在腹板部分呈斜线分布,表明模型腹板中部和上部不断开裂,出现斜裂缝,混凝土裂缝分布如图5所示。此时剪力墙钢筋及型钢应力如图6和图7所示。由图6、图7可知,正向加载时首先是翼缘中部的钢筋和型钢先发生屈服,而翼缘两端的钢筋及型钢屈服较晚。

3)破坏阶段

水平荷载加载至P=590 kN左右时,剪力墙整体变形逐渐增大,混凝土达到开裂值的区域不断增大,表明混凝土出现明显破坏,且剪力墙翼缘底部混凝土达到极限受压应力,表明此处混凝土被压碎。

6 结 语

使用ANSYS软件,采用分离式方法,建立型钢混凝土剪力墙有限元模型,并且在建模时,单元共用节点,忽略粘结滑移对模型承载力的影响,由计算结果可知:沿各个方向加载的型钢混凝土剪力墙有限元模型的受力情况共分为三个阶段。在弹性阶段,型钢混凝土剪力墙模型整体变形较小;进入塑性阶段,剪力墙端部钢筋和型钢先后发生屈服,模型整体变形增大;破坏阶段,模型混凝土开裂区域不断扩大,受压区混凝土达到极限压应力,结构发生破坏。