主要服务：硕士论文、论文发表、论文修改服务

剪力墙压弯性能试验研究及有限元模拟分析

来源：985论文网添加时间：2020-05-14 11:55

摘要：剪力墙的抗弯性能与剪力墙的强度直接相关，钢管束混凝土的组合剪力墙结构是一种新型的预制建筑结构体系，在钢量方面施工方便，经济。另外，还有诸如合理利用空间的优点。本文研究了低轨道往复载荷引起的钢管束混凝土复合剪力墙的破坏模式和承载性能，并研究了轴压比等因素对抗震性能的影响。根据钢管束混凝土组合剪力墙底部弯曲的破坏模式，提出了底部钢筋截面的钢管束混凝土组合剪力墙。研究了不同钢筋截面高度对钢管束混凝土组合剪力墙延性，承载力和变形能力的影响后，采用底部补强法显着提高了钢管束混凝土组合剪力墙的承载性能。事实证明，它可以改进。在底部钢筋段的钢量相等的前提下，为了充分展示剪力墙的材料性能，底部钢筋段的高度应保持在一定范围内，高度应为0.5倍左右。当设置为墙的高度时，加固剪力墙的效果最佳。

关键词：钢管束;组合剪力墙;承载力；压弯性能

目前，中国的钢结构建筑通常采用钢框架系统或将钢框架与混凝土剪力墙结合的方法。本文对新型的工业化钢管束混凝土组合剪力墙结构体系进行了试验研究（图1.1）。钢管束是通过焊接矩形钢管和多根U形钢管而形成的钢管结构单元。加工制成的钢管束的标准为一字型，T型等。运输到现场后，将钢管束进行组装和焊接，不需要繁琐的绑扎钢筋的过程，完成了钢管束的组装。之后，通过在钢管束中铺设混凝土，可以形成具有良好屈服应力的组合剪力墙。剪力墙外的钢管束壁的厚度仅为3毫米至5毫米，剪力墙的总厚度通常在130毫米至150毫米之间（图1.2）。与普通钢管束混凝土组合剪力墙相比，钢管束混凝土组合剪力墙的承载性能大大提高，整壁稳定性好，自重为普通混凝土剪力墙的70％。差不多了尽管材料成本略高于普通剪力墙，但是机械方法方便且节省了一部分人工成本，与普通混凝土剪力墙的成本没有太大差别。该结构系统采用钢结构形成外钢管束，根据建筑功能的要求更加灵活的布置，综合结合了房屋系统的各种优点，将在建筑钢铁行业的未来发展中得到广泛应用。

图1.1 钢管束-混凝土组合剪力墙与传统钢管束混凝土组合剪力墙对比

剪力墙构件具有较高的水平非刚性刚度和较高的承载能力，并广泛应用于高层建筑结构中。影响剪力墙承载性能的因素很多，其中剪力墙的轴向压力比，剪跨比，钢含量等对剪力墙的抗震性能具有重要影响。为了深入研究各参数对剪力墙承受力的影响程度，国内外学者对不同类型的剪力墙进行了大量的实验研究和理论分析。

一、钢板混凝土组合剪力墙

为了深入研究单钢板混凝土组合剪力墙的应力性能，孙建祖，徐会峰，肖忠马等人。轴向压力比为0.5，剪跨比为1.5的单钢板混凝土组合剪力墙模拟静力。进行了负载测试。研究结果表明，单层混凝土组合剪力墙的承载性能有所提高，承载力大大提高，但延性没有明显提高。郭彦林及其同事对装有钢板的墙进行了试验研究，进行了有限元数值模拟，并且由于破坏了外层混凝土和内层钢板之间的接触面，显然将其间的剪力墙分开了。另外，嵌入在内部的钢板上产生清晰的张力带，并且壁的承载能力，能量消耗能力和刚性都在一定程度上降低。纪晓东及其同事检查了钢板混凝土剪力墙的抗剪强度，并通过在外包钢板混凝土墙和插入钢板混凝土墙之间往复剪切同时保持轴向压力恒定的情况下进行了抗震性能测试。试验的结果是，钢管束混凝土的抗剪强度墙和钢构架混凝土的抗剪墙明显改善了钢板混凝土的抗剪强度。当施加于嵌入式钢板混凝土的剪力墙和外包钢板的剪力墙的轴向载荷与所用钢板的量几乎一致时，前者的变形能力比后者低约80％。

二、钢管束-混凝土组合剪力墙压弯性能试验分析

钢管束混凝土组合墙剪切力拟静力试验研究,并对其破坏模式,延迟性能,承哉能力量,刚性、变形能力、钢管束偏斜等性能指标,分析不同轴圧比钢管束混凝土组合墙剪切力的样本的受力性能的影响进行了研究。钢管束混凝土组合剪切力墙的底部曲折的破坏模式为基础,加强底部的剪切力墙的加固形式,提出加固区不同的加固高剪切力的墙壁的支持能力,变形能力等受力性能的影响进行了探索:

（一）试验现象

试件破坏模式的分析在钢筋混凝土组合剪力墙的结构试验研究中非常重要，试件破坏模式是结构或构件工作机理和抗编织性能的综合体现。这是建立模型的重要基础。设计了六个钢管束混凝土组合剪力墙试件的设计，从轴向压力比的大小和蠕变加筋段的高度两个方面分析了剪力墙的强度性能。

（二）试件破坏模式总结与分析

两个剪力墙试件的荷载体系基本相同，破坏模式与破坏模式相对相似，均为弹性工作阶段，混凝土开裂阶段、钢管束屈曲阶段和屈曲后阶段，已经经历了四个主要阶段。

1.弹性工作阶段

在添加测试开始时，样品几乎是弹性的。在这个阶段，束没有弯曲，内部混凝土没有破裂，外部束与内部混凝土配合，并且顶部的水平载荷-位移曲线显示了几乎线性的变化。

2.混凝土开裂阶段a

如果继续增加水平荷哉，则在水平荷哉位移曲线上产生偏差，试料的刚性开始下降，试料中的混凝土碎裂，试料进入碎裂阶段。此后，随着担哉的增加，在循环加鼓中，样品混凝土内部的开裂破裂声音，特别是卸载阶段变得明显。荷哉进一步增加，钢管束混凝土组合剪切力墙外部钢管束与内部混凝土的接触面局部粘结破坏。普通钢管束的分组平均剪切力墙的水平荷哉加哉值达到548 kn时,浙江省的加固钢管的带子束的分组平均剪切力墙的水平加法院值达到626 kn,顶点的负荷位移曲线出现比较明显的转换,刚性显著下降。此时，普通钢管混凝土组合剪切力墙的水平荷载分别达到极限荷载的60%、65%和68%。底部带加固剪切壁的水平荷载分别达到极限荷载的65%、67%和66%。钢管束巳部两端侧钢板的实测形变达到1800ue，基本处于屈服状态，说明样品已进入屈服阶段。

3.钢管束屈曲阶段

自负重-位移曲线明显弯曲到峰值点的过程称为钢管束弯曲阶段。在投降后的初期负荷周期中，试料STWI~STW2钢管束的两侧底部100mm及两侧壁底部50mm处出现微鼓，试料STW2(轴压比为0.45)的微鼓最为明显，但逆负荷时微鼓恢复。底部加固样本的sstwi ~ sstw2加固区高度以内是钢管束良好,钢管束的局部曲折在花园区以上过渡,钢管束的局部曲折的负重也未加固样本stw2高出10%以上,而且其微鼓程度轻、逆方向外加微鼓也恢复了。继续发展,样本stwi ~ stw2钢管束两侧底部100 mm的上下鼓曲显著,两端的墙壁的根部部50 mm的上下的微小皱纹出现,样本的离中混凝土破裂的声音更显著,离到零分的情况下,样本底部的钢管束鼓曲是无法恢复的。试料STWI~STW2的受降变位角分别为1/229和1/137，随着轴压比增大，钢管束混凝土组合剪切力壁的受降变位角增大，受降负荷也增大。试料SSTWI~SSTW2分别在比墙体两侧底部加强区的高度100mm以上的位置发生鼓曲，投降变位角分别为1/151、1/154，与未加强试料sTW2相比弯曲程度较轻，因此对应。的投降变位几乎相同。除峰值负荷外，试料sTW I~STW2及试料SSTWI~SSTW2的弯曲进行，相应的弯曲面积增大，钢管束与混凝土接接面发生粘合破坏的区域持续扩大。

4.钢管束屈曲后阶段

各样本支撑物能力实现了后水平位移的增加,体内壁部的混凝土破坏激化,刚性下降,钢管束和混凝土之间的应力的重新分布,发生钢管束的分担内力增加,底部是严重曲折,样品stwi - stw2墙壁身体两侧底部100 mm的曲折状态依次进行,曲折的范围在扩大,两端壁部根钢管束的基斯显著。试料SSTW1 - SSTW2加强区以上钢管束弯曲，墙体两端加国区以上50mm处出现钢管束鼓曲。剪切力壁试料的SSTWI~SSTW2的弯曲位置随着加强带高度的增加而依次提高，钢管束的弯曲状态缓慢。可以看出，随着轴压比增大，钢管束底部的弯曲变得剧烈，弯曲区扩大。向上移动。轴圧比钢管束的端部是底梁的顶面从50 ~ 100毫米的地方发生龟裂,曲折领域从底梁的顶部300 mm(降壁的高度)扩大到的地方:钢管束剪断力量对混凝土墙的底部加固,钢管束曲折位置,并且能显著提高底部的钢管束曲折,并有效地抑制剪断力墙的受力性能得到改善,而且图区随着高度的增加,其效果更加明显。

（三）骨架曲线

在低周往复静负荷试验中，骨骼曲线一般采用与负荷变位曲线中的各负荷第一次循环的峰值点连接的包络线。骨骼曲线的形状与单调受力曲线基本一致，但骨骼曲线比单调受力曲线的极限受力值稍低，均能明确反映结构和构件的支撑力、变形和延展性等抗震性能。各钢管束~混凝土组合剪切力壁试料的顶点水平负荷位移骨骼曲线如图3.2所示。显示了各试料的施加及反施加的骨骼曲线均为反S形，钢管束混凝土组合剪切力壁试料的受力过程分为弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段。

图2.2 试件顶点水平荷载-位移骨架曲线

三、钢管束-混凝土组合剪力墙有限元模拟分析

随着有限元理论分析的突破和计算机领域的飞速发展，利用有限元方法对往复荷载作用下建筑结构进行弹塑性分析的准确性和计算效率越来越高。使用有限元软件对研究内容进行参数分析具有许多优势，不仅可以在确保可靠性的同时节省人工成本，而且可以提高科研效率。 ABAQUS是一种大型通用有限元分析软件，具有良好的预处理程序和较强的非线性分析能力，在钢结构，混凝土结构等结构分析领域具有广泛的应用。

（一）材料本构模型

1.混凝土材料本构关系

混凝土结构关系模型的提取对结构的非线性分析有重要影响，但混凝土结构关系主要是指混凝土在多轴应力状态下的应力-应变关系。在连续介质力学中，关于变形体当前结构关系的模型或理论很多，但是由于混凝土材料的复杂性，目前关于混凝土材料当前结构关系的理论仍存在许多弊端。之间没有结论性的结论。

ABAQUS模型数据库包含三个具体的模型。通常，具有分散裂缝的模型使实际结构或构件中的混凝土裂缝更加离散和均匀，并在混凝土张紧过程中适当地校正应力-应变关系曲线的软化部分。你可以往复载荷允许混凝土塑性损伤模型考虑诸如材料损伤，裂纹扩展和闭合以及刚度恢复等行为。混凝土易损断裂模型几乎没有应用于具有正筋的建筑结构，但是这种混凝土材料的结构关系相对较小，以仅考虑混凝土在张拉过程中的非线性行为。

2.钢材本构关系

该钢结构模型使用双线性跟踪增强模型，该线性跟踪增强模型的弯曲表面采用Mises弯曲表面控制，并考虑了在往复拉伸压力作用下的材料硬化和包络效应。这是一个相对简化的教材结构模型。计算成本低，适用于建筑结构的性能分析和构件加载规则的参数分析。如图3.1所示，将钢管束-混凝土组合剪力墙结构中的钢板主结构模型的双线性应力-应变曲线设置为0.5％弹性模量的钢板增强台阶梯度k。

图4.1 钢材双线性本构模型

（二）单元选取

在有限要素模拟中，需要选择与模拟对象的材料特性一致的单元类型作为被计算要素，建立具有更现实的固有关系的有限要素模型。由于ABAQUS有限元件软件具有丰富的单元库，因此该有限元件软件基本上能够模拟现实工学中各种形状的有限元件模型。abaqus有限元素软件中,各班被特定类型的使用范围,各班的插值函数的度数,班级形式,班级结构形式及节点数不同,因此每个模型根据情况,可以选择使用。

（三）网格划分

由于使用有限元理论进行结构分析的过程是从四舍五入到零，从零到四舍五入的过程，因此，有限元计算的第一步是将实际结构转换为一组单元。通过划分网格由ABAQUS有限元软件离散化并实现。单元网格的划分是有限元计算中非常重要的一步，而网格大小是影响计算精度和质量的重要因素。网格划分的精度越高，计算结果越准确，并且越接近结构的真实断裂特性，但是网格越细，节点数越多，计算的成本和时间也就越大。使用精度足够高的网格以确保ABAQUS仿真结果的准确性。相反，粗网格可能在计算结果和实际值之间有一定的差异。随着网格划分的微调，结果将接近唯一的解决方案。对网格进行微调只会增加计算负荷，不会显着影响精度。因此，合理的网格划分的目标应该是通过尽可能减少节点数来节省时间，同时准确反映结构或元素的重量特性。

图3.2 有限元模型网格划分

（四）钢管束混凝土组合剪力墙有限元计算

1.破坏模式对比

样品STW2和样品SSTW2的有限元数值模型的计算结果示于图2和3中。带有普通钢管束的STW2混凝土剪力墙复合标本的数值模拟结果（图3.4和图3.5）显示，混凝土从标本内部的混凝土压力侧的底部梁到50 mm处达到极限压力应变，最后混凝土坍塌。在外管束压力侧距底部梁的底部50 mm至100 mm处明显发生弯曲，并且不断施加载荷，管束的混凝土剪力墙失去支撑力，并且样品的实际断裂状态并匹配。由图3.6和图3.7可知，底部加固钢管束的黏土-土剪力墙SSTW2的破坏状态要弱于无筋剪力墙的样本，其破坏模式与样本SSTW2的破坏模式几乎相同。您可以看到它是。底部加强板有效地抑制了外部钢管束的弯曲，将底部弯曲位置移至加强板上方50至100 mm，降低了钢管束的弯曲度，使底部混凝土的压力更加均匀，混凝土的最大压力应变位置也移至增强段上方50毫米处。底部的钢筋改善了剪力墙底部弯曲的断裂模式，充分证明了剪力墙样品的整体承载性能。

图3.3 有限元模型网格划分

2.顶点水平荷载.位移骨架曲线比较

图3.8显示了普通钢管混凝土管束组合剪力墙样品STW2和底部钢筋混凝土管组合剪力墙样品SSTW2顶点的水平荷载-位移曲线的对比分析。从图中可以看出，实验测量值与数值模拟结果的断裂趋势非常吻合，有限元的峰值载荷力稍高，但误差在5.0％以内。钢管束混凝土组合剪力墙试件的横向刚度测量值略低于有限元模拟结果，这主要是由于钢管束的表面内部混凝土中可能存在某些初始缺陷，并且在实际加载过程中初始刚度较低-另一方面，有限元模型使用数值分析来分析钢管束内部混凝土的裂纹发展和破碎过程。仿真不能很好地进行，仿真结果表明，横向刚度大于实际测试值。综合分析表明，所建立的有限元模型能够合理有效地模拟钢管束混凝土复合剪力墙试件的断裂过程和水平峰值荷载力，模拟结果具有一定的可靠性。

（五）底部加强区对剪力墙受力性能的影响.

在这项研究中，为了研究不同底部加固段的高度和厚度对钢管束混凝土组合剪力墙应力性能的影响，提出了一种利用底部加固段钢量的加固方法。在底部加固方法中，底部加固板的高度h和厚度t的乘积是恒定的，并且同时，加固区域的厚度和高度被改变。为了合理优化加筋区域的高度与厚度之间的关系，建立了无筋钢管束混凝土的剪力墙模型和六个底部钢筋剪力墙模型的组合。壁高为1500mm，每个管束的横截面尺寸为140mmx200mm。每个钢板的厚度为3 mm，每个剪力墙由五个钢管束组成，底部钢筋的增强板高度为h，厚度为t，模型中的材料强度和样品强度为-为了更清楚地分析钢管束的剪力墙的变形，对底部混凝土梁两端的位移进行了限制，减小了底部梁的变形，并且没有改变其他约束。表3.1列出了各种剪力墙模型参数。利用ABAQUS有限元软件研究了钢管混凝土束合剪力墙数值模型的受力性能，并对断裂模式和承载力进行了比较和分析。

结束语

准确掌握钢管束混凝土复合剪力墙的动力性能对结构的抗震设计具有重要意义。混凝土在动力作用下具有典型的应变率敏感性，但是在目前的中国抗震设计规范中，应变率是混凝土的结构关系以及结构和构件的承载力。它没有考虑对变形性能，能量消耗能力和破坏模式的影响。因此，钢管桩混凝土组合剪力墙构件在动力作用下的抗震性能试验研究尤为重要。

参考文献

[1]宋瑞. 现浇夹心保温剪力墙压弯受力性能及连接件承载能力研究[D]. 2015.

[2]何爱波. HPFL加固混凝土压弯构件的抗震性能有限元分析及加固设计方法研究[D]. 2015.

[3]方小丹, 李青, 韦宏, et al. Experimental study on axial-flexural behavior of shear walls with steel tube-confined high performance concrete%钢管高强混凝土剪力墙压弯性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2013, 034(008):72-81.

[4]张晓萌, 陈志华, 任庆英, et al. T型双钢板组合剪力墙有限元分析及设计方法研究[J]. 建筑结构, 2017(S2):241-248.

[5]杨永哲. 钢筋混凝土空心剪力墙抗震性能试验研究及非线性有限元分析[D]. 西安建筑科技大学, 2004.

[6]黄真锋, 张素梅, 陈杰, et al. T形短肢多腔钢-混凝土组合剪力墙压弯工作机理有限元分析[J]. 建筑结构学报, 2017, v.38(S1):141-149.

[7]楚春阳. 现浇保温复合剪力墙轴心受压试验研究与有限元分析[D].

[8]李传浩, 王二成, 张京军, et al. 装配式槽钢骨架轻质混凝土剪力墙抗震性能试验研究及有限元分析[J]. 混凝土, 2019(8).

[9]马晓伟. 双层钢板-混凝土组合剪力墙抗侧性能分析[J]. 清华大学, 2011.

[10]江嫚莉, 赵宏康, 戴雅萍, et al. 新型叠合式剪力墙力学性能有限元分析[J]. 淮海工学院学报:自然科学版, 2018, 27(03):59-66.