李 海 川

(天津华冶工程设计有限公司，天津 300270)

基于ANSYS的型钢混凝土T形短肢剪力墙的数值分析

李 海 川

(天津华冶工程设计有限公司，天津 300270)

利用ANSYS软件对型钢混凝土T形短肢剪力墙采用实体建模的方法进行了数值模拟分析，考虑了混凝土强度等级、墙肢截面高厚比、轴压比对型钢混凝土T形短肢剪力墙受力性能的影响，建立了三组共13个有限元模型试件，对结构在单调水平荷载作用下的延性和承载力进行了比较，得出的结论对型钢混凝土T形截面短肢剪力墙的理论研究和工程应用具有重要的参考价值。

型钢混凝土T形短肢剪力墙，数值分析，ANSYS，截面高厚比，轴压比

0 引言

型钢混凝土短肢剪力墙结构是一种新型的高层结构体系，使结构具有框架和剪力墙结构的双重特点。型钢混凝土T形截面短肢剪力墙由于其兼具平面易于布置和受力性能明显优于普通短肢剪力墙的特点，在高层住宅中的应用方面有广阔的前景。但目前国内对型钢混凝土T形截面短肢剪力墙受力性能的研究还较少，理论研究滞后于工程实践，因此对其受力性能研究具有重要的理论意义和工程应用价值。文中运用ANSYS软件对型钢混凝土T形截面短肢剪力墙进行有限元模拟，分析其在单调水平荷载作用下的受力性能。

1 试件设计

有限元模拟中采用比例为1∶1的有限元模型，试件高采用3 m，基本试件为T型钢混凝土短肢剪力墙。有限元分析中，各量的单位均采用国际单位制，长度单位采用m，力单位采用N。

1.1 基本BASE试件

根据有关规范规程及常见的工程实例，设计了型钢混凝土短肢剪力墙BASE基本试件和系列试件，假定该构件的抗震等级为一级。BASE试件的H型钢材料选用Q345钢，弹性模量Es=2.06×1011Pa，泊松比0.3，混凝土强度为C40，抗压强度设计值为19.1 MPa，抗拉强度设计值为1.71 MPa，泊松比0.2。剪力墙截面尺寸见图1，高h=3 m。剪力墙墙肢截面高厚比为6，墙顶施加了轴力向压力6.685 N/mm2，形成0.35轴压比。同时为了防止上下底面的混凝土在加载时由于应力集中而发生压碎破坏，在上下底面都加了钢垫块，其材料属性同模型中型钢。

根据JGJ 138—2001型钢混凝土组合结构技术规程8.2.2条规定，文中选用的H型钢尺寸为200 mm×200 mm×8 mm×12 mm，T型钢尺寸为100 mm×200 mm×8 mm×12 mm,保护层厚度为50 mm。为了保证剪力墙面外稳定性，型钢的摆放方式为强轴与剪力墙长度方向平行。墙体的纵向分布钢筋为φ14@100，配筋率为1.0%，水平分布筋为φ14@200，配筋率为0.5%，满足《高规》7.2.17条和7.2.18条的规定。在计算暗柱体积配筋率和端部暗柱含钢量时假定暗柱面积取b×h=300 mm×300 mm。BASE试件在剪力墙端部暗柱设置纵向受力钢筋配筋率为1.79%(8φ16，钢筋为HRB335)，满足《高规》7.2.15条的规定，箍筋体积配筋率为0.67%，暗柱含钢率为7.1%。基本BASE试件的有限元模型见图1。

1.2 系列试件

有关研究表明，影响型钢混凝土短肢剪力墙的抗震性能的主要因素很多，文中为了研究各参数对构件的抗震性能的影响程度，以BASE试件为原型衍生设计了三个系列试件，分别为TCX系列、TGX系列和TZX系列，分别代表考虑混凝土强度、墙肢截面高厚比和轴压比。各个试件的高度均为3 000 mm，墙肢厚度均为300 mm，墙体的分布钢筋的配置、墙肢腹板端部和翼缘两端配钢形式均与BASE试件相同。

1)TCX系列试件。该系列试件是通过改变BASE试件的混凝土强度等级来分析混凝土强度对型钢混凝土短肢剪力墙受力性能的影响。TCX系列试件数据见表1。

表1 TCX系列试件

试件名称TC1TC2BASETC4TC5混凝土等级3035404550

2)TGX系列试件。该系列试件是通过改变BASE试件的墙肢截面高厚比来分析该比值的变化对型钢混凝土短肢剪力墙受力性能的影响。TGX系列试件数据见表2。

表2 TGX系列试件

3)TZX系列试件。该系列试件是通过改变BASE试件的轴压比来分析该参数对型钢混凝土短肢剪力墙受力性能的影响。TZX系列试件数据见表3。

表3 TZX系列试件

1.3 材料参数

有限元分析中，BASE试件及各系列试件混凝土和钢材的强度采用设计值，按照有关规范，取值如表4，表5所示。

表4 混凝土材料参数

表5 钢材参数

2 构件模型

2.1 本构关系

采用多线性随动硬化模型描述混凝土上升段本构关系，采纳Hognestad的建议，为了使程序更好的收敛[2]，不考虑本构关系曲线的下降段，而采用水平段，用rusch[1，3]模型。混凝土本构模型计算公式为：

当ε≤ε0时，

(1)

当ε0≤ε≤εμ时，

σ=fc

(2)

其中，fc为峰值应力(棱柱体极限抗压强度)；ε0为相应于峰值应力时的应变，取ε0=0.002；εμ为极限压应变，取εμ=0.003 8。

钢材本构关系采用理想弹塑性模型。两种材料的本构关系图如图2所示。

2.2 模型参数

混凝土破坏准则采用Willam-Warnke五参数准则，钢材破坏准则采用Mises屈服准则。混凝土采用多线性随动强化模型，钢材选用等向强化模型。模型采用整体式建模，混凝土采用Solid65单元，钢筋采用Link8单元，将钢筋完全弥散在混凝土单元内。型钢采用Solid45单元，型钢和混凝土各自建立几何实体模型。在型钢和混凝土的接触面上，两种材料共用节点，不考虑两者之间的滑移。混凝土参数设置：计算中为了收敛，闭合裂缝的剪力传递系数βc一般取为0.9～1.0；张开裂缝传递系数βt一般范围为0.125～0.65，文中参考相关文献[3-5]取为0.125。另外关闭压碎选项，文献[5][6]指出，开裂模型比较粗糙，选用要慎重，分析中关闭开裂选项，取得了较好的模拟效果。单元尺寸为50mm。采用位移加载和力收敛准则，力收敛控制准则为0.05，采用2范数。设置了两个荷载步，竖向均布压力为第一荷载步，水平位移荷载为第二荷载步，子步数量根据位移的大小设置为200子步～500子步。其他设置：打开大变形选项，打开自动时间步选项，选用稀疏矩阵求解器；打开线性搜索以及预测器选项以帮助收敛，最大平衡迭代数设置为50，该参数的缺省值为15；使用N—R迭代求解，打开自适应下降段选项；其他参数采用程序默认设置。

3 有限元计算结果及分析

3.1 基本试件结果分析

BASE试件在正、反向单调水平荷载作用下的荷载位移曲线见图3。从图3中可以看出当构件翼缘受压(正向)时，极限荷载为2 749kN,极限位移为荷载下降至极限荷载的85%时对应的位移26.5mm，延性系数[1]为2.72；当构件翼缘受拉(反向)时，极限荷载为2 461kN，极限位移为25.5mm，延性系数为3.58。比较可知在相同情况下BASE构件翼缘受压时的承载力比翼缘受拉时的承载力高288kN，而延性系数却降低了0.86。当BASE构件正向受力时，构件顶端截面位移约达到8mm之前，正反向受力时的荷载位移曲线基本重合且成直线状态，此时构件受力性能相似且处于弹性阶段；顶端截面位移达到8mm之后，荷载位移曲线显示出构件进入塑性变形状态；位移达到16.9mm时，构件达到极限荷载2 749kN；之后由于混凝土开裂、压碎，钢筋和型钢屈服，承载力开始下降，在荷载位移图上变现为下降段。当基本构件反向受力时，构件顶端截面位移约达到5.47mm之前，荷载位移曲线基本成直线状态，表明此时构件处于弹性阶段；位移达到13mm时，构件处于明显的弹塑性阶段；位移达到13mm之后，构件的荷载位移曲线近似为水平线，表明构件处于塑性阶段；当位移达到25.5mm，构件中的受力最大点的应变过大时，计算终止，表明结构破坏。

3.2 系列试件结果分析

通过对三组模型试件的有限元分析，各系列试件在正向和反向单调水平荷载作用下的荷载、位移及延性系数见表6～表8。

表6 TCX系列试件延性系数表

表7 TGX系列试件延性系数表

表8 TZX系列试件延性系数表

从表中可以看出，TCX，TGX，TZX系列试件型钢混凝土T形截面短肢剪力墙翼缘墙受压时的极限承载力大于翼缘墙受拉时的承载力；一般情况下，翼缘墙受压时的构件延性小于翼缘受拉时的延性(TC5,TZ1除外)。

从表中可以看出，翼墙受压时：对于TCX系列试件，当混凝土强度等级差一级时，承载力分别提高27.1%，0.0%，20.4%，7.3%，可以看出将混凝土强度等级提高至C40以上时会明显提高短肢剪力墙的承载力，但是如果继续增加混凝土强度等级，型钢混凝土短肢剪力墙承载力增长的速度减缓；对于TGX系列，当各试件高厚比相差1时，承载力分别提高45.6%，20.3%，37.5%，

19.2%，由此可以看出随高厚比的提高，型钢混凝土短肢剪力墙的承载力的增幅逐渐减缓；对于TZX系列试件，各试件轴压比分别相差0.15时，承载力分别降低-3.0%，10.6%，4.4%，16.0%，由此可以看出随着轴压比的升高，型钢混凝土短肢剪力墙的承载力的降幅逐渐增大。

从表中可以看出，翼墙受拉时：对于TCX系列试件，系列试件承载力分别比前一标号混凝土的提高13%，9.5%，10.8%，7.6%，说明反向作用时随混凝土强度等级的提高，型钢混凝土短肢剪力墙承载力增长的速度减缓；对于TGX系列试件，系列试件承载力分别提高45.0%，30.7%，28.1%，20.1%，说明反向作用时随高截面厚比的提高，型钢混凝土短肢剪力墙承载力增长的速度减缓；对于TZX系列试件，轴压比每增加0.15，承载力分别降低6.7%，11.0%，10.5%，16.6%，说明反向作用时随高截面轴压比的提高，型钢混凝土短肢剪力墙承载力降低的速度增大。

从延性的角度考虑，对于TCX和TGX系列试件，正向和反向荷载作用时，BASE试件的延性系数均最大，分别为2.72和3.58，说明混凝土强度等级和墙肢截面高厚比存在一合理值，偏离该值时构件延性将降低；对于TZX系列试件，轴压比偏大或偏小时，荷载正向作用和反向作用时，构件的延性系数相差较大。

4 结语

通过对模型的数值分析可知，在单调水平荷载作用下，构件翼缘受压时的承载力大于翼缘受拉时的承载力，而翼缘受压时的延性小于翼缘受拉时的延性；翼缘受压时，对构件承载力影响最大的依次是墙肢截面高厚比、混凝土强度等级和轴压比；翼缘受拉时，对构件承载力影响最大的依次是墙肢截面高厚比、轴压比和混凝土强度等级；随着混凝土强度等级和截面高厚比的增加，构件承载力逐渐增大；随着轴压比的增加，构件的承载力在逐渐减小，但减小的幅度较小；从延性的角度考虑，当混凝土强度等级大于C40时应考虑脆性的影响，墙肢截面高厚比和轴压比应分别控制在6.0和0.35左右，否则会造成延性的大幅降低。

[1] 过镇海，时旭东.钢筋混凝土原理和分析[M].北京：清华大学出版社，2003.

[2] 张前进，毛 毳，付守维，等.利用ANSYS模拟钢筋混凝土梁的影响因素分析[J].天津城市建设学院学报,2008,14(2)：85-88.

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[6] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

Numerical analysis on steel reinforced concrete T-shape short shear wall on the basis of ANSYS

Li Haichuan

(TianjinHuayeEngineeringDesignCo.,Ltd,Tianjin300270,China)

The paper carries out numerical simulation analysis on the steel reinforced concrete T-shaped short shear wall with modeling methods by applying ANSYS software, considers the impact of concrete strength degree, wall section width-depth ration, and axial compression ration upon steel reinforced concrete T-shaped short shear wall, establishes three groups of 13 finite element models, comparatively studies the ductility and bearing capacity of the structure under single horizontal load. Therefore， the research conclusions has important referring value for theoretical research and engineering application of steel reinforced concrete T-shape short shear wall.

steel reinforced concrete T-shape short shear wall, numerical analysis, ANSYS, width-depth ratio, axial compression ratio

1009-6825(2015)02-0025-03

2014-11-05

李海川(1987- )，男，助理工程师

TU398

A