钢筋混凝土剪力墙拉剪受力性能试验

卫凯华

（陕西保利房地产开发有限公司，陕西西安 710000）

本文进行理论分析，用有限元分析计算方法对钢板混凝土剪力墙的拉剪受力性能进行分析，对墙体高宽比、墙体配钢形式、轴压比、钢板强度、钢板厚度等参数对其受力性能的影响。 通过八片按照缩尺比例设计的不同形式的钢-混凝土组合剪力墙低周反复荷载的试验，进行合理的分析受拉混凝土剪力墙的破坏特征、滞回特性、承载力、刚度和耗能能力。

0 引言

在早些年，高层建筑结构的纵横比不大，并且剪力墙很少出现拉力等问题，近年来，随着建筑物高度的增加，结构纵横比逐渐增加，并且高层建筑物底部的剪力墙产生的抵抗倾覆力矩的轴向张力也更大。在抵消了由自重（例如其自身重量）产生的轴向压力之后，剪力墙可能仍会处于受力状态。此时，剪力墙承受拉力，剪力和弯矩的共同作用，受力状态复杂，对结构安全性产生不利影响。

文献调查表明，现有拉弯构件的研究和成果主要基于梁柱构件。对于剪力墙，其主要研究轴向压缩和偏心压缩情况下的受力性能，对于偏心拉力下的混凝土受力墙的受力极限、形态的变化和破坏的理论研究都未成熟。

1 钢板混凝土剪力墙受力性能试验初步设计

本文将介绍11 片按照缩尺比例设计的不同形式的钢-混凝土组合剪力墙低周反复荷载试验的试件初步设计，包括试件的主要设计参数、配筋，基于实验室的条件确定初步的量测内容，加载装置等。

其目的是考察钢板-混凝土剪力墙在低周反复荷载作用下的开裂、裂缝发展、破坏过程及破坏形态；研究配钢形式、高宽比等因素对钢板-混凝土组合剪力墙的力学性能的影响；获取墙体的初始刚度、开裂荷载、开裂位移、屈服荷载、屈服位移、极限荷载、极限位移、滞回特性等；与数值仿真结果进行对比分析钢板-混凝土组合剪力墙的力学性能。

试件设计是根据《建筑抗震试验方法规程》（JGJ 101—1996）进行设计。通过拟静力试验对试体进行低周反复加重，将试体从弹性的状态直至破坏的状态，获得试件的回复力计算模型等参数，可以较为全面地评价试件的力学性能；试验观测的主要内容是试件在竖直及水平方向进行加重，在竖向及水平方向的作用下的侧向位移、墙体平面内的转角，及钢筋、钢板、型钢在荷载作用下的应变进行观测，同时进行观察试件的破坏过程与形态，记录试件的裂缝发展状态；应变片的布置主要是在钢筋及钢构件上，根据受力的原则，墙体底部弯矩最大，所以在端柱纵筋底部布置应变片；位移计的布置在加载的平面内，墙顶、墙体中部，墙体底部各布置一个，并在下部混凝土可能压碎处布置一个；裂缝观测时是用放大镜查找裂缝，并用铅笔记录裂缝，裂缝旁边表明负载的大小。进行试件的初步配筋设计，并确定基本的量测内容与方式，为试验方案的完善提供良好的基础。

2 1000mm 普通钢筋混凝土剪力墙计算

设计参照《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010），按照非抗震设计，端柱纵筋：2×10B16，端柱箍筋A6@100，竖向分布钢筋：A6@100，横向分布钢筋：A6@100，拉结筋 A6@200。

端柱体积配箍率：

端柱纵筋配筋率：

分布筋的配筋率：

端柱宽度取200mm：

3 钢板混凝土剪力墙受拉性能非线性有限元分析

使用ABAQUS 软件对剪力墙试件进行有限元模拟分析，预测测试中剪力墙试件的力学性能，并与测试数据进行比较和分析；即通过有限元分析和理论计算获得的数据进行比较，可以改善测试计划，使测试运行更加顺畅，并获得更多的数据供选择。

实验研究和数值模拟是研究混凝土结构的主要方法。尽管实验研究结果是直观的，但大多数比例模型都是缩小的，与实际结构的机械效果仍然不同，测试周期长且昂贵。另外，有限元分析克服了上述限制性。随着计算能力的发展，提高及有限元理论的发展，有限元分析方法的精度越来越高，已成为混凝土结构的重要研究方法，是对实验研究和工程设计的补充和互相确认。

3.1 本构关系

本构关系是材料的应力和应变之间的关系。在有限元模拟中，各种材料的本构关系是内力，变形和结构相对关系之间的重要联系。因此，可以建立准确反映材料机械性能的本构模型，这对于提高精度非常重要，有很大的影响力，这也是建模的关键点之一。

混凝土的本构关系：

混凝土由几种不同材料的混合物制成。它是一种不均匀的脆性材料，压缩和拉伸行为区别很大，抗压强度大而抗拉强度小，它们之间存在一个数量级的差距。ABAQUS 提供三种模拟混凝土的材料模型：弥散裂缝模型（Smeared crack model）、塑性损伤模型（Damaged plasticity model）和脆性破裂模型（Brittle cracking model）。脆性的收敛性较差；弥散裂缝模型适用于单调加载、动力分析，特别适用于压应力较小的分析，且只能用于ABAQUS/Standard 分析模块；塑性损伤模型适用于往复荷载或单调荷载作用下的结构分析，ABAQUS/Standard 和ABAQUS/Explicit 模块均可使用该本构模型，且收敛性较弥散裂缝模型更好一些。

由于本文所做的试验研究是试件的低周反复荷载试验，因此本文中的有限元分析采取的本构关系采取混凝土塑性损伤模型。在调查了多种公式后采用基于能量等价原理的简化算法进行计算。

3.2 接触模拟

图1 基于能量等价原理的简化算法

在该模型中，存在钢筋与混凝土、钢板与混凝土、混凝土与刚性块之间的接触关系。钢板与钢筋均嵌入在混凝土内部，试验试件采取在钢板上均匀焊接螺栓的方法，因此本文的模拟认为钢板与混凝土之间无滑移，粘结可靠。

3.3 荷载与边界条件、单元类型选取、网格划分

根据实验条件，共有两种荷载，一个是位移控制的水平方向荷载，另一个是竖直方向的荷载。试验的边界条件是底部螺栓固定，因此模拟边界条件为底部完全固结。同时，为了避免加载点产生局压破坏，通过Coupling 约束关系，将加载面耦合到一点进行加载。

对于混凝土，采用八节点减缩积分的三维实体单元（C3D8R）模拟，具有沙漏控制；钢筋采用两节点线性三维杆单元（T3D2）模拟，只能承受轴向荷载，没有刚度，与钢筋在理论分析时的受力模式相符；钢板同样采用C3D8R 单元模拟，将钢板作为壳单元（SC8R，8 节点四边形平面内通用连续壳，采用减缩积分与沙漏控制），经过试算与C3D8R 实体单元的结果相差无几。

通过适当的分区，划分网格，由于没有特别关注的区域，整体网格没有加密的区域，混凝土的网格尺寸大致在50mm，钢筋的网格大小在10mm 左右，钢板的网格大小约为25mm。

4 结果与分析

图2 1000mm 试件荷载位移曲线

从图2 中可以看出，不同高度的试件，加载初期的刚度差异不大，之后刚度有明显差异，由于1000mm 试件的破坏模式均为受剪破坏，承载力差异最为明显，连续钢板混凝土剪力墙最高，其次为分段钢板混凝土剪力墙，最低为钢筋混凝土剪力墙。承载力极限对应的位移也有相似趋势，连续钢板混凝土剪力墙数值最高，但型钢混凝土剪力墙的极限荷载对应位移小于钢筋混凝土试件。

从峰后反应看，由于钢板或型钢的存在，大大提高试件的延性，承载力下降速度较普通的钢筋混凝土试件慢一些，能在较大的位移时保持较高的承载力。

5 结语

本文进行有限元的计算与分析，进行试件在单调荷载下的模拟，为试验方案的完善提供一定的依据，并与理论计算承载力进行比对分析，同时对试验没有涉及的参数进行有限元分析，获得各参数对于钢板混凝土剪力墙受力性能的影响，使得整个研究工作更加的完整，对于钢板混凝土剪力墙的力学性能有更透彻的研究。