带可更换连梁的新型剪力墙仿真分析与试验验证*

陈 云, 吕西林, 蒋欢军

(1.同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092；2.海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228)

传统联肢剪力墙结构在中震或大震下通常连梁遭到不同程度的破坏，修复比较困难.鉴于此，部分中外学者研究在连梁的跨中设置一个耗能部件，震时仅使耗能部件屈服耗能，连梁其余部分尽量不产生破坏，震后仅需对受损的耗能部件进行更换即可，耗能部件也称之为连梁“保险丝”.目前的研究主要集中在不同类型连梁保险丝的研究开发，对带有保险丝的整体结构研究较少.

ABAQUS程序是国际上先进的大型通用有限元分析软件之一，拥有世界上最大的非线性力学用户群，ABAQUS可以解决从相对简单的线性分析到复杂的非线性模拟等各种问题[1-3].因此本文拟采用ABAQUS程序进行新型剪力墙结构的精细仿真分析.

在已有研究的基础上[4-9]，本文针对这种带有可更换连梁的新型剪力墙结构，阐述了新型剪力墙精细有限元模型的单元类型选择、材料模型参数定义以及建模方法，重点通过精细仿真分析研究了新型剪力墙的变形特点、各部分的屈服顺序、墙肢的损伤状况和骨架曲线，并与试验结果进行了对比分析.

1 新型剪力墙的几何模型

图1所示为新型剪力墙的几何模型及其配筋图.

图1 新型可更换连梁示意图

在本模型中墙体开门洞，所以连梁的刚度较小，若开窗洞则连梁的刚度较大，连梁的刚度大则整体性较好，但刚度过大也会造成震时受压墙肢的轴压力过大，因此设计时在建筑上允许的情况下应选择合适的连梁与墙肢耦合比.

2 ABAQUS有限元模型

2.1 单元类型选择

剪力墙墙肢、连梁、底座和加载梁均采用8节点减缩积分实体单元C3D8R来模拟.减缩积分单元由于比完全积分单元在每个方向上少用一个积分点，即使存在扭曲变形时，分析精度不会受到大的影响，在弯曲荷载下也不容易发生剪切自锁.建模时利用高级网格划分技巧，绝大部分实体单元采用六面体单元，尽量避免五面体和四面体单元.这样不但能够控制单元数量，还可以减少由于单元退化带来的计算误差.

混凝土中钢筋的模拟有两种方法，即直接定义REBAR和使用嵌入单元.这里用三维一次桁架单元T3D2来模拟钢筋，钢筋通过*EMBEDDED ELEMENT命令植入混凝土，即将钢筋单元嵌入到混凝土实体单元之中，不考虑二者之间的粘结滑移关系.

保险丝和预埋型钢也采用实体单元C3D8R来模拟，预埋型钢的模型建好后，通过*EMBEDDED ELEMENT命令直接将型钢嵌入到连梁的非屈服段和墙肢里面，因为型钢翼缘焊接了较多的栓钉，不考虑预埋型钢与混凝土之间的粘结滑移.

2.2 材料模型

钢筋的材料模型选用各向同性等向强化模型，ABAQUS自带的混凝土本构模型有Concrete Smeared Cracking模型和Concrete Damaged Plasticity模型.第1种模型比较适用于低围压下单调变形的混凝土构件.第2种模型仍然比较适用于低围压下的混凝土构件，其特点是由于考虑了损伤效应，更适合模拟往复甚至地震作用下的混凝土结构行为[10].本文选用第2种材料模型即混凝土损伤塑性模型，其能够考虑混凝土材料拉压强度差异、刚度及强度退化以及拉压循环裂缝闭合呈现的刚度恢复等性质[11-12].

2.3 模型参数定义

该模型的混凝土材料本构由如下5个参数命令定义.

*CONCRETE DAMAGED PLASTICITY用于定义混凝土损伤塑性模型的相关参数.本文选用的模型参数见表1，其中，ψ为膨胀角；∈为塑性势偏心率；αf为双轴极限抗压强度与单轴极限抗压强度的比值；Kc为拉伸子午面上和压缩子午面上的第二应力不变量的比值；μ表示粘性系数.

表1 模型参数

*CONCRETE COMPRESSION HARDENING用于定义混凝土单轴受压应力-应变关系．本文选用Hognestad模型，这是世界上应用最广泛的单轴受压曲线之一[13]．这一曲线的上升段为抛物线，下降段为斜直线，具体表达式为：

(1)

(2)

非弹性应变

*CONCRETE TENSION STIFFENING用于定义混凝土的受拉行为.可选用的有应力-非弹性应变、应力-开裂位移、应力-断裂能3种定义方式.本文采用基于剩余直接应力-直接开裂应变的方式来考虑混凝土的受拉软化行为.假定混凝土受拉峰值应力前为线弹性，峰值应力后，选用Reinhardt和Cornelissen 提出的混凝土受拉应力-应变曲线.

(3)

式中ft为混凝土的抗拉强度；εtu为混凝土极限拉应变.关于c1和c2的取值，文献[13]建议取c1=9，c2=5.*CONCRETE COMPRESSION DAMAGE和*CONCRETE TENSION DAMAGE命令分别用来定义混凝土的受压和受拉损伤因子.参考文献[14-15]来定义受压损伤因子dc：

(4)

(5)

(6)

2.4 计算模型

最终在ABAQUS中建立新型剪力墙试件的有限元模型如图3所示，模型一共有12 916个单元，39 918个节点.

图3 新型剪力墙试件的有限元模型

3 计算结果与试验结果对比分析

3.1 结构的变形

通过观察图4(c)所示的结构整体变形图，可更换连梁的变形主要集中在保险丝，连梁非屈服段的变形很小，基本与墙体的弯曲变形垂直；一层和二层连梁的保险丝变形较大，三层连梁的保险丝受加载梁的影响较大，所以变形较小.进一步比较试验的保险丝变形图4(a)和模拟的保险丝变形图4(b)可知，模拟得到的保险丝变形与试验结果很相似.

图4 试件的变形图

3.2 构件屈服顺序

通过钢筋和保险丝的等效塑性应变来判断结构的各部分的屈服顺序，取不同荷载步下结构等效塑性应变如图5所示.可更换连梁理想的屈服顺序是连梁的保险丝先产生屈服进行耗能，然后剪力墙的脚部产生屈服耗能.水平加载共分307个子步，提取在水平加载过程中，不同荷载步下的构件关键受力部位的等效塑性应变云图.通过等效塑性应变云图来判断构件的屈服顺序.

在第7子步时，一层和二层连梁保险丝首先产生屈服，剪力墙的墙脚纵筋处于弹性状态；在第20子步时剪力墙受拉侧墙脚纵筋也产生了屈服；在第23子步时，墙脚受压侧纵筋开始屈服；由保险丝与预埋型钢以及非屈服段纵筋最终的等效塑性应变云图可知(第306子步)，保险丝的塑性应变发展较为充分，保险丝腹板大部分屈服，这与试验完全一致.

非屈服段的纵筋、箍筋和预埋型钢均处于弹性状态，这也与试验结果一致，进一步证明了可更换连梁能够将破坏位置集中在保险丝，这非常有利于震后对保险丝更换.最终二层处的暗柱纵筋没有发生屈服，这也与试验结果完全一致.

总体来讲，带有可更换连梁的新型剪力墙试件实现了理想的屈服顺序，即保险丝首先屈服耗能，然后墙脚纵筋屈服耗能，模拟与试验结果一致.

图5 新型剪力墙等效塑性应变发展顺序

3.3 混凝土损伤分析

通过提取混凝土受拉损伤变量DAMAGET，比较图6和图7混凝土的损伤可以直观地反应混凝土开裂比较严重的部位.观察模拟的墙肢混凝土部分的受拉损伤分布可以发现(如图6所示)，受拉墙肢开裂比较严重，连梁的损伤较轻，而且受压墙肢的受拉侧混凝土开裂也比较严重，墙肢顶部由于应力集中影响开裂也比较严重.图7所示为试验中单侧墙肢的损伤裂缝分布，墙肢产生了大量的受拉损伤裂缝，与模拟结果相似；图8所示为试验中连梁的裂缝分布，连梁的裂缝都细微，试验后残余变形也很小，与模拟结果基本一致.因此模拟基本能够反映墙肢和连梁混凝土的损伤状况.

图6 连梁和墙肢混凝土受拉损伤

由于试验中可更换连梁的非屈服段损伤较小，结构的残余变形较小，所以可以在试验结束后比较容易地拆掉损坏后的保险丝，如图8所示，这有利于震后快速地对受损的连梁进行修复更换，尽快恢复结构的使用功能.

除此之外，连梁非屈服段与保险丝在实际工程中也可以参考如图9所示的连接方式.

图7 试验中单侧墙肢损伤

图8 试验中二层连梁损伤

图9 连梁非屈服段与保险丝在实际工程中参考的连接方式

3.4 骨架曲线和滞回曲线

图10表示由ABAQUS计算得到的新型剪力墙试件骨架曲线与试验的骨架曲线对比.

从图10可以看出，模拟的初始刚度和峰值承载力与试验基本一致，但屈服承载力的计算值与试验稍有差异.总之，用ABAQUS模拟联肢剪力墙的骨架曲线能够得到较好的结果，特别是对剪力墙的初始刚度和峰值承载力的模拟能够得到较好的结果，不足之处是骨架曲线的下降段较难模拟，而且较难模拟剪力墙的滞回反应.因此这里又采用近年来美国休斯顿大学的Mansour和Hsu提出的一种新的剪力墙非线性模型-循环软化膜模型[16]来模拟剪力墙的滞回反应，该模型由Mo等[17]通过编程开发添加到OpenSEES程序中.该模型可以较好地模拟剪力墙的滞回反应，但不能够得到剪力墙的应力、应变云图以及损伤云图，模拟结果如图11所示.OpenSEES模拟的试件滞回曲线与试验结果有一定差别，原因是在模拟的过程中，试件的底端是完全固定的，没有任何滑移，但在试验加载的过程中试件的底座产生了较大的滑移，因此导致试验的滞回曲线很不对称.但模拟的峰值承载力、初始刚度以及“捏拢”效应与试验结果比较接近，骨架曲线与ABAQUS模拟的结果是类似的.总之，用ABAQUS模拟试件的变形、屈服顺序、应力应变云图以及损伤状况具有较好的效果，而OpenSEES程序中的剪力墙循环软化膜模型可以补充进行剪力墙滞回反应计算.

顶点位移/mm

位移/mm

4 结 论

本文基于ABAQUS有限元程序，建立一片带可更换连梁的大比例双肢剪力墙试件的精细有限元模型，阐述了其材料本构模型和建模过程，对其进行了精细仿真分析，计算与试验结果对比研究表明，计算模型可以较好地模拟试件的变形、构件的关键受力部位屈服顺序、墙肢与连梁混凝土部分的损伤分布以及试件的骨架曲线，因此，该模拟方法对类似联肢剪力墙结构的数值模拟具有较好的借鉴意义.此外，利用OpenSEES程序中的剪力墙循环软化膜模型补充模拟了剪力墙的滞回反应并与试验结果进行了对比，取得了较好的模拟效果.总之，经过合理设计的新型剪力墙能够得到理想的屈服顺序，即连梁保险丝先屈服，然后墙肢脚部纵筋屈服，可更换连梁能够将破坏位置集中在保险丝部分，便于震后更换.

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