杨亚彬，汪志昊

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

基于ABAQUS的钢管混凝土组合剪力墙弹塑性有限元分析

杨亚彬，汪志昊

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

钢管混凝土组合剪力墙是一种新型剪力墙，能充分发挥不同受力体系和不同材料的抗震优势.采用大型有限元分析软件ABAQUS对该新型剪力墙进行了弹塑性有限元分析，研究了钢管混凝土组合剪力墙在荷载作用下的应力、应变等微观受力状态，揭示了其破坏过程和抗震机理.

ABAQUS;钢管混凝土;有限元;抗震机理

钢管混凝土组合剪力墙是一种新型组合剪力墙，具有多道抗震防线和良好的抗震性能.目前，国内外学者对钢管混凝土组合剪力墙的研究较少.其中，Astaneh-Asl等学者研究了1个1/2缩尺的钢管混凝土边框剪力墙，证明了该试件具有很好的延性和荷载 －位移性能［1－2］.2004年颁布的《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS 159)给出了带矩形钢管混凝土边框的剪力墙的设计方法［3］.夏汉强等运用SAP2000有限元软件对矩形钢管混凝土边框剪力墙进行了有限元分析，结果表明，规程中将作用于钢管混凝土组合剪力墙的整体弯矩全部由钢管混凝土柱中产生的轴向拉力或压力承担［4］.在我国，钢管混凝土组合剪力墙已经在深圳72层赛格广场大厦和杭州瑞丰商业大厦中运用.

ABAQUS是一套功能强大的基于有限元方法的工程模拟软件，它可以解决从线性分析到非线性模拟等问题.作者通过ABAQUS软件对钢管混凝土组合剪力墙进行有限元分析，模拟钢管混凝土组合剪力墙的受力过程，以期全面地认识其抗震机理.

1 有限元模型的建立

1.1 材料本构模型

钢材采用ABAQUS软件中提供的等向弹塑性模型.该模型多用来模拟金属材料弹塑性性能.其应力－应变关系采用全曲线模型.

钢管内受约束的混凝土和墙板的普通混凝土在塑性性能上差异很大.目前对约束混凝土受力性能研究表明，约束混凝土的塑性会有所增加.因此采用了文献［5］提出的适用于ABAQUS软件有限元分析的核心混凝土单轴应力－应变关系，其考虑了核心混凝土受钢管被动约束的特点，修正了素混凝土单轴应力－应变关系曲线的下降段和峰值应变.

墙板混凝土单轴受压性能采用文献［6］提出的模型来定义，该混凝土受压模型经过了大量的实验验证，具有形式简单、适用范围广等优点.

1.2 单元选取

钢管中核心混凝土与墙板混凝土、钢管均采用三维实体单元C3D8R.墙体分布钢筋采用三维杆单元T3D2，抗剪键采用壳单元S4R.

1.3 网格划分

如果网格划分较大，结果可能不太准确或产生错误.如果网格划分过于细致，将耗费过多的计算时间，浪费计算机资源.因此在模型生成时，应结合网格试验确定合理的网格密度.

1.4 接触模拟

钢管与混凝土的界面模型由截面法线方向的接触和切线方向的黏结滑移构成.钢管混凝土界面法向的接触采用硬接触，接触单元传递界面压力p，垂直于接触面的压力可以完全地在界面间传递.钢管与混凝土界面切向力模拟采用库仑摩擦模型，界面可以传递剪应力直到剪应力达到临界值τcrit，界面之间产生相对滑动后，界面剪应力保持为τcrit不变.剪应力临界值τcrit与界面接触压力p成比例，且不小于平均界面黏结力τbond，即

式中μ为界面摩擦系数，钢与混凝土界面摩擦系数的取值范围为0.2～0.6.对于圆钢管混凝土可根据Roeder(1999)［7］的研究成果，建议的表达式为

对于方钢管混凝土，表达式为

式中:d为核心混凝土的直径，mm;t为钢管壁厚，mm.

1.5 边界条件及加载方式

钢管混凝土边框柱脚和墙板底部均为固定端.加载梁顶部施加轴向均布荷载，加载梁端施加水平荷载.轴力施加完成后，在加载梁端施加水平方向的荷载.边界条件及加载方式如图1所示.

图1 模型边界及加载方式

1.6 非线性方程求解

采用增量迭代法进行求解.对每一个荷载增量，进行迭代计算，使每一级增量中的计算误差可以控制在很小的范围内.

2 计算结果分析

ABAQUS定义当混凝土单元中出现受拉塑性应变(最大主塑性应变)时，即表示该混凝土单元开裂，裂缝的方向垂直于最大主塑性应变方向，裂缝的宽度可近似地由最大主塑性应变矢量箭头的长短来反映.图2为试件达到峰值荷载时墙板主塑性应变矢量图，此时墙板中混凝土的裂缝开展至接近墙板顶部，底部裂缝最大并延伸至受压侧.

图2 墙板主塑性应变矢量图

图3为试件达到峰值荷载时墙板混凝土主应力矢量图，此时墙板混凝土的主应力呈斜向分布，裂缝出现的区域主应力与竖直方向夹角较大，右侧区域主应力与竖直方向夹角较小，以受压为主.

图3 墙板主应力矢量图

图4为试件达峰值荷载时墙板分布钢筋应力云图.墙板左上部至右下部对角线方向的区域中，分布钢筋屈服.该区域为墙板最大主塑性应变值较大的区域.这表明墙板上弯剪斜裂缝不断开展延伸，使钢筋的受拉应力越来越大导致裂缝区域钢筋屈服.

图4 墙板分布钢筋应力云图

图5为试件达到峰值荷载时钢管混凝土边框的Mises应力云图状态.在试件达到峰值荷载时，边框柱脚中下部进入屈服，边框柱的变形以弯曲变形为主，在受压侧边框底部出现了钢管的鼓起变形.

图5 钢管Mises应力云图

通过对钢管混凝土组合剪力墙的弹塑性有限元分析，对其破坏过程与工作机理分析如下.

初始阶段，墙板混凝土和分布钢筋均处于受压应力状态，在应力达到混凝土强度后受拉侧混凝土墙板首先开裂.随着水平荷载逐渐加大，受拉侧钢管底部受拉屈服，此时墙板混凝土裂缝开展较多，应力状态也发生变化，墙板底部受拉和受压竖向分布钢筋的应力均逐步增大，但未达到屈服.之后，墙板混凝土裂缝快速增多，对角线右侧区域主要以受压为主;墙板底部裂缝开展至接近受压侧，受压区高度较小，多排受拉竖向分布钢筋屈服，受压侧竖向分布钢筋受压屈服，墙体的承载力达到峰值，受压侧钢管底部被压鼓起，剪力墙以弯曲变形为主.之后继续加载，裂缝宽度有所增大，墙板混凝土在水平力和轴力共同作用下形成明显的斜压杆受力，分布钢筋屈服范围也进一步扩大，受压侧钢管边框底部继续受压鼓起，随着钢管和分布钢筋达到极限荷载后承载力有所下降.从破坏过程和形态可以看出，由于剪力墙混凝土与钢管混凝土边框共同工作，使剪力墙的裂缝分布较密且范围较广，呈现出良好的抗震屈服机制.由于钢管混凝土边框柱的存在，在混凝土墙体破坏后，剪力墙仍呈现出承载力下降慢、后期刚度退化平稳的特征，具有较好的延性.

3 结语

通过ABAQUS有限元软件对钢管混凝土组合剪力墙进行了弹塑性有限元分析，有效地模拟了其破坏过程，揭示了其抗震机理.结果表明，所采用的有限元模型合理，可以较好地反映出剪力墙在荷载作用下的应力、应变等微观受力状态，可为钢管混凝土组合剪力墙的设计提供理论依据.

［1］Abolhassan，Astaneh-Asl.Seismic behavior and design of steel Plate shear walls［R］.Moraga，CA:Structural Steel Educational Council，2001.

［2］Astaneh-Asl.Seismic behavior and design of composite steel plate shear walls［R］.Moraga，CA:Structural Steel Educational Council，2002.

［3］同济大学，浙江杭萧钢构股份有限公司.CECS 159:2004矩形钢管混凝土结构技术规程［S］.北京:中国计划出版社，2004.

［4］夏汉强，刘嘉祥.矩形钢管混凝土柱带框剪力墙的应用及受力分析［J］.建筑结构，2005，35(1):16 －18.

［5］刘威.钢管混凝土局部受压时的工作机理研究［D］.福州:福州大学，2005.

［6］Attard M M，Setunge S.Stress-strain relationship of confined and unconfined concrete［J］.ACI Materials Journal，1996，93(5):432 －442.

［7］Roeder C W，Cameron B，Brown C B.Composite action in concrete filled tubes［J］.Journal of Structural Engineering，1999，125(5):477 －484.

Elastoplasticity Finite Element Analysis of Shear Wall with Concrete Filled Steel Tube Composite Based on ABAQUS

YANG Ya-bin，WANG Zhi-hao
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

The shear wall with concrete filled steel tube composite as a new type combines the aseismic advantages of different stress system and various materials.The paper makes the elastoplasticity analysis of this new type of shear wall by using the finite element analysis software，researches the shear wall＇s micro stress states such as stress and strain under loads，in order to reveal the destruction process and aseismic mechanism.

ABAQUS;concrete filled steel tube composite;finite element;aseismic mechanism

1002－5634(2012)02－0014－03

2012－01－15

华北水利水电学院高层次人才科研启动项目(201211).

杨亚彬(1980—)，男，河南平顶山人，讲师，博士，主要从事组合结构抗震方面的研究.

(责任编辑:陈海涛)