钢筋混凝土无洞叠合墙体非线性有限元分析.pdf

2 0 1 2年 第 1期 ( 总 第 2 6 7期 ) N u mb e r 1 i n 2 0 1 2 ( T o t a l N o ．2 6 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HE0RE TI CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ．i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 2 ． 0 1 ． 0 0 7 钢筋混凝土无洞叠合墙体非线性有限元分析 王滋军 f I 2 ，刘伟庆 z ，卢吉松 1 ,2 ( 1 ． 南京工业大学，江苏 南京 2 1 0 0 0 9 ；2 ． 江苏省绿色建筑工程技术研究中心，江苏 南京 2 1 0 0 0 9 ) 摘要： 在试验研究的基础上，运用有限元分析程序 A N S Y S 对钢筋混凝土无洞叠合墙体进行非线性分析。 通过建立合理的力学模型， 模拟分析了叠合墙体的裂缝开展与分布、 承载能力、 破坏模式等方面的特点和规律， 并与试验结果进行对比验证。 有限元值与试验值吻合 较好， 说明本研究在进行有限元分析时所选择的计算模型、 材料本构关系、 破坏准则等较为合理的， 可以应用于叠合剪力墙的进一步分析 研究， 弥补试验研究的局限性。 剪式支架能使钢筋混凝土叠合剪力墙的预制部分与现浇混凝土形成整体， 共同工作， 承受外部荷载。 关键词： 无洞叠合剪力墙；有限元分析；抗震性能；节能 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 叭 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 1 — 0 0 1 8 - 0 3 Nonl i ne a r f i n i t e elemen t a na l ys i s on c ompo sit e r ei n f or c e d c onc r e t e s he a r wal l s wi t h ou t ope ni ng WANGZ i -j u n ， L I U We i - q 血 培1 , 2 L UJ i — s o n g ( 1 ． Na n j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Na n j i n g 2 1 0 0 0 9 ， C h i n a ； 2 ． Gr e e n B u i l d i n g R e s e a r c h C e n t e r o f J i a n g s u P r o v i n c e ， Na n j i n g 2 1 0 0 0 9 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Ba s e du p o nt h e e x p e r i m e n t a l s t u d i e s ， n o n l i n e a r fin i t e e l e me n t a n a l y s i s o n c o mpo s i t e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h e a r wa l l wi t h o u t o p e n i n gb y u s i n g fi n i t e e l e me nt s oft ware ANS YS Wa s c o mp r e he n s i v e ly s tud i e d ．Ba s e d o n the r e a s o n a b l e me c h a ni c s mo d e l s a n d me t h od o l o gi e s ， the s e i s mi c b e h a vi o r wa s r e s e a r c h e d f o r the wa l l s t r u c t u r e o n the ho r i z o n t a l l o a d i n g t e s t ．Th e c r a c k e x p a ns i o n， f a i l u r e mo d e we r e d i s c us s e d ．Th e p r e f a b r i c a t e d pa r t s a n d th e c a s t — in— s i t u c o nc r e t e p a r t s o f t h e c o mpo s i t e r e i nf o r c e d c o n c r e t e s h e a r wa l l s c o u l d wo r k t o g e t h e r i n c o o r d i na t i o n v e r y we l l un d e r l o a d i n g ． Ke y wor ds ： c o mp o s i t e s h e a r wall wi t h o u t o pe n i n g； fi ni t e e l e me n t a n a l y s i s ； s e i s mi c be h a v i o r ； e n e r g y s a v i n g 0 引言 目前 ， 我国建筑仍以混凝土结构 、 砌体结构及混合结构体 系为主， 在实施建筑节能时通常采用外墙贴附保温隔热系统构 造的方式， 但是这种保温隔热系统的使用寿命短， 难以实现与 建筑物同寿命 ， 并且节能效果受施工质量影响较大 ， 后期维护 保养费用较高。 南京工业大学和江苏省绿色建筑工程技术研究 中心博采众长 ， 经过 2年多的时间在德国应用相对较为成熟的 叠合结构体系的基础上研发了“ 节能环保型钢筋混凝土叠合结 构体系” ( 以下简称“ 叠合结构体系” ) [ 11 ， 如图 1 、 2所示。 该结构 体系既实现节能与结构一体化， 达到保温隔热体系与建筑结构 同寿命， 又能取代传统的现浇混凝土施工工艺， 实现建筑工业 化，顺应绿色施工的潮流。 因为德国的建筑结构一般是不考虑 抗震的， 而我国是地震多发地区， 大多数建筑物需要抗震设防， 所以不能简单照搬德国技术 ， 而是在其基础上进行改进， 使之 能够符合我国的抗震设防要求。 叠合结构体系该结构体系从设计概念上属于剪力墙结构 体系， 但是由于钢筋混凝土叠合剪力墙( 以下简称“ 叠合剪力 墙” ) 是由预制空心墙体或复合保温层的预制空心墙体在施工现 场二次浇筑混凝土叠合而成的， 与钢筋混凝土全现浇剪力墙( 以 下简称“ 普通剪力墙” ) 相比， 叠合剪力墙整体工作性能及抗震 性能等均须通过试验加以验证。 本课题组先后开展了不同形式 ⋯架 二 ( a ) 无保温层的预制墙体 ( b ) 含有保温层的预制墙体 图 1 预制墙体示意图 的叠合剪力墙模型的低周反复荷载试验， 重点研究了叠合剪力 墙的受力变形特征与破坏形式、 承载能力 、 滞回性能、 延性、 刚 度等抗震性能， 并与普通剪力墙的受力性能进行对比分析， 同时 还考察剪式支架( 或“ 格构式钢筋” ) 能否保证现浇混凝土与预 制部分形成整体， 共同工作。 由于经费资金及试验条件等制约 ， 试验所涵盖的测试、 研 究内容必然也难以面面俱到 ， 只能在已取得试验研究的基础 上辅以计算模拟等手段来进一步深入研究。 本研究运用有限 元分析程序 A NS YS对叠合墙体进行非线性分析 ， 通过建立合 理的力学模型， 模拟分析叠合墙体的抗震性能 ， 裂缝开展与 分布、 应力应变特点、 破坏模式等方面的特点和规律， 并与试 验结果进行对比验证， 为该结构体系的计算模拟分析研究提 供参考借鉴。 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 7 一 l 4 基金项目：江苏省自然科学基金( B K 2 o 0 8 3 7 7 ) ； 江苏省建设厅项目( J S 2 0 0 9 Z B 0 4 ) ； 南京工业大学青年教师学术基金( 3 9 7 1 3 0 1 5 ) ； 江苏省绿色建筑工 程技术研究 中心项 目( 2 0 0 9 ) l 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( a 1无保温层的叠合结构示意图 ( b ) 含有保温层的叠合结构示意图 图 2 叠合结构示意图 1 试 验 概 况 试验所用墙体的高宽比为 1 ． 3 2 ， 轴压比为 0 ． 2 ， 共分为三种 类型： ①w— l 为普通剪力墙； ②W- 2为不含保温层的叠合剪力 墙； ③W． 3为含保温层的叠合剪力墙。 为考察叠合剪力墙 中剪 式支架的作用及叠合面的整体工作性能， 减少其他因素的干扰 ， 所有墙体均设计为一字型 ， 并且不设置翼缘、 暗柱或约束边缘 构件。 试件编号及类型见表 1 ， 试件模板及配筋如图 3 所示。 上述 墙体试件所用混凝土强度等级为 C 3 0 ， 墙体受力钢筋强度等级 为 H R B 3 3 5 ， 剪式支架及拉筋的强度等级为 H P B 2 3 5 。 试验时先施加竖向荷载 ， 竖向荷载由千斤顶一次施加到 设计荷载值 6 4 0 k N， 轴压比为 0 ． 2 。 在保持竖向荷载不变的情 况下逐级施加水平往复荷载。 试件开裂前采用荷载控制， 以每 级荷载增量为 2 0 k N的幅度向上递增 ， 在接近预计的墙体开 裂荷载时减小每级的荷载增量 ， 改为每级 1 0 k N， 屈服前各级 荷载循环一次。 墙体屈服后采用位移控制 ， 控制位移取试件屈 服时的位移 ， 并以此为倍数向上递增 ， 每级位移循环 3次 ， 直 至试件破坏。 试件破坏的标志为水平荷载下降到最大荷载的 8 5 ％以下 ， 或者试件失去继续承载的能力 ， 即认为试件破坏 ， 停 止加载。 表 1 试件参数 l 5 O 试件立面 全现浇 1 4 0 0 W 一 1 4 O 厚 预制 8 0 J 由1 0 @2 0 0 4 0 J ／ - - - ① I-- ’— — 【儿 I 『 I I 6 0 0 I 6 0 0 l 1 0 0 1 4 0 0 W 一2 4 0 厚 预制 0 0I 6 0 0 1 0 0 1 4 0 0 W 一 3 图 3 试 件尺寸及配筋 图( 单位 ： mm) 2 有限元分析 ． 篙 2 ． 1 分析模型 来处理， 即 混凝土采用8 节点三维非线性实体单元S O L I D 6 5 ， 钢筋 钢筋混凝土结构的有限元模型通常主要有三种方式， 包括分 采用 L I N K8 单元， A NS Y S分析所建立的有限元模型如图4 所示。 1 9、 互 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 4 墙体模型 图 2 。 2 材料的本构关系 混凝土材料受压的本构关系比较复杂， 对于t 昆 凝土材料在单 轴受J压J隋况下的应力～ 应变关系， 国内外研究者在试验研究的基础 上， 提出了不同的表达式， 其中包括多项式型、 二次抛物线加直线型、 有理分式、 指数函数型和分段表达型等。 这些模型的上升段一般都 是抛物线， 其区别主要是下降段曲线有所不同。 本研究分析所采 用的混凝土单轴应力应变关系为上升段采用 G B 5 0 0 1 0 - - - 2 0 1 0 《 混凝土结构设计规范》 规定的公式 ， 下降段则采用 H o n g e s t a d 所建议的直线下降段， 即： r ／ 、 们 1 1 一 I 1 - 1 1( ≤ s 。 ) f 1 、 L ＼ 0／J 、‘ ， o — o 、 { 1 - 0 ． 1 5 ! I( 8 0< s ≤ s ) ( 2 ) ＼ S删一 0 ／ 按照规范计算和规定可分别求得 n = 2 、 g o = 0 ．0 0 2 、 e ~ ---- 0 ． 0 0 3 3 。 上述曲线可用一系列数据点进行拟合以便输入 ， 本研究采用多 线性等向强化模型 MI S O模拟。 钢筋的本构关系可采用双线性 随动强化模型 B KI N和双线性等向强化模型 B I S O等。 本研究 采用双线性等向强化模型B I S O模拟。 图 5 、 6为本研究 A NS Y S 分析中所采用的混凝土和钢筋的应力一 应变关系曲线。 20 1 l 1 l ‘ ， 2 2 1 1 0 1 ∞ 1 EP S／ 1 0 一 图 6 钢 筋本构关 系 O 2 - 3 混凝土单元开裂处理 一 般情况下， 混凝土结构是带裂缝工作的。 混凝土开裂会引 起裂缝周围应力的突然和结构刚度的降低， 是钢筋混凝土非线 性分析的重要内容。 目 前非线性分析中， 裂缝的常用模型有 3 种， 即①单元边界的单独裂缝； ②单元内部的弥散裂缝； ③单独裂 缝， 用断裂力学的方法来处理。 根据剪力墙的受力特点、 试验加 载方式以及计算的可行性， 本研究采用单元内部的弥散裂缝对 剪力墙开裂过程进行模拟分析。 2 ． 4 破 坏 准则 混凝土的破坏准则所包含的参数应该足以准确的模拟破 坏面的形状， 并且 比较合理。 参数太少， 强度准则曲面的形状过 于简单， 不能很好地模拟混凝土破坏曲面； 参数过多， 虽然可提 高模拟曲面的精度， 但由于混凝土材料的离散性导致并不能真 正提高计算的精确度。 根据以往的研究成果及经验， 本研究采 用 Wi l l a m． Wa r n k e r 五参数破坏准则。 2 ． 5 有限元计算值与试验值 的比较 以第一次出现裂缝时的子步相对应的荷载值作为开裂 荷载， 以混凝土极限压应变达到 氏 时的子步相对应的荷载值 作为极限荷载。 开裂荷载和极限荷载的计算值与试验值 比较 如表 2所示。 可以表 2中看出， 除了试件 W一 3 A以外 ， 墙体开 裂荷载与极限荷载的计算值与试验值吻合较好 ， 表明剪式支 架是一种有效的连接方式可以将预制与现浇部分形成整体 共同工作。 有限元值分析开裂荷载之所以较试验值低， 主要是 因为试验时是以肉眼观察的第一条裂缝作为开裂荷载。 有限 元分析所得的极限荷载较试验值偏大 ， 这时因为有限元分析 中采取的材料本构关系和各项参数选取与实际情况存在偏 差； 试验墙体 内部实际存在较多缺陷 ， 诸如中间现浇部分混 凝土密实程度稍差等， 而在有限元计算模型中并未考虑这些 缺陷。 试件 W一 3 A的极限荷载试验值相对较低主要是因为在 加载过程中墙体产生扭转 ， 平面外失稳破坏导致试验加载提 前结束。 表 2 有限元值与实测值的比较 3结 论 ( 1 ) 有限元值与试验值吻合较好， 说明本研究在进行有限 元分析时所选择的计算模型、 材料本构关系、 破坏准则等较为 合理的， 可以应用于叠合剪力墙的进一步分析研究， 弥补试验 研究的局限性。 ( 2 ) 可以对计算分析模型做进一步改进 ， 在模型中适当考虑 二次浇筑混凝土因密实性差而产生的缺陷， 以提高分析精度。 ( 3 ) 通过墙体试验及有限元分析， 表明剪式支架是一种有 效的连接方式， 可以使预制与现浇部分形成整体共同工作。 下转第 2 3页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A1 0 Al 1 A1 2 编 号 图 5 钢铁渣( 细钢渣 ) 对砂 浆 2 8 d强度的影响 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B1 0 Bl 1 B1 2 编号 图 6 钢铁渣( 细钢渣 ) 对砂浆 2 8 d强度的影响 一 定的影响， 影响程度比早期略有减小。 当钢渣与矿渣的比例为 3 ： 7时， 掺钢铁渣的砂浆的 2 8 d强度能够很接近甚至超过纯水泥 砂浆。 当钢渣与矿渣的比例为 1 ： 1 时， 掺钢铁渣的砂浆的2 8 d强 度也能够达到纯水泥砂浆的8 5 ％左右。 这说明， 随着龄期的增长， 钢铁渣对于强度的贡献越来越大。 3结 论 ( 1 ) 就对强度的影响而言， 矿渣的性能好于钢渣 ， 因此钢铁 上接第 1 7页 ( 2 ) 由于时间效应的影响， 不同骨料取代率的再生混凝土 弹性模量较之普通混凝土大； 且通过与国内外不同建议公式相 比， 本试验值普遍偏大， 最大时为两倍左右。 随着骨料取代率的 增大， 弹性模量的变化为正弦曲线线形。 ( 3 ) 通过实测， 再生混凝土泊松比数值相对稳定 ， 其值保持 在 0 ． 1 7 ～ 0 ． 2 4 之间， 而且高取代率下的泊松比比普通混凝土泊松 比小， 建议式( 1 0 ) 较好反映了其变化规律。 参考文献 ： [ 1 ]肖建庄， 杜江涛．不同再生粗集料混凝土单轴受压应力一 应变全曲线叨． 建筑材料学报， 2 0 0 8 ， 1 1 ( 1 ) ： 1 1 1 - 1 1 5 ． [ 2 ]T O P C U I B ． P h y s i c a l a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e p r o d u c e d w i t h w a s t e c o n c r e t e [ J ] ．C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 1 2 )： 1 8 1 7 -1 8 2 3 ． [ 3 】 周静海， 何海进 ， 孟宪宏， 等． 再生混凝土基本力学性能试验[ J ] ．沈阳 建筑大学学报： 自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 2 6 ( 3 ) ： 4 6 4 — 4 6 8 ． ] 李旭平． 再生混凝土基本力学性能研究( I ) ——单轴受压性能 ． 建 上接第 2 O页 参考文献： 【 1 】 王滋军， 刘伟厌， 叶燕华 ， 等． 一种适合工业化生产的节能建筑结构 体系： 中国， Z L 2 0 0 9 2 0 0 4 4 9 6 7 ． 4 [ P ] ． [ 2 ]卢吉松． 节能环保型钢筋混凝土叠合结构体系墙体抗震性能试验研 究[ D ] ． 南京： 南京工业大学， 2 0 1 0 ． [ 3 】 J G J 1 0 1 —9 6 ， 建筑抗震试验方法规程[ s ] ． [ 4 】 G B 5 0 0 1 1 —2 叭0 ， 建筑抗震设计规范[ s 】 ． 渣中矿渣所占的比例越大， 钢铁渣的性能越好。 ( 2 ) 钢渣的比表面积对于其性能有较大的影响， 钢渣的比 表面积宜大于4 0 0 m 2 ／ k g 。 ( 3 ) 在钢铁渣中掺人少量的石膏 ， 能够激发钢铁渣的早期 活性 ， 对于提高掺钢铁渣的砂浆的早期强度有积极作用。 参考文献 ： [ 1 ] 阎培渝．现代混凝土的特点l J l _混凝土， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 3 - 5 ． I 2 】U J X， Y u Q J ， WE I J X， e t a 1 ．S t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d h y d r a t i o n k i n e t i c s o f mo d i f i e d s t e e l s l a d J I． C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 1 1 ， 4 1 ( 3 ) ： 3 2 4 — 3 2 9 ． [ 3 ]王玉吉， 叶贡欣．氧气转炉钢渣主要矿物相及其胶凝性能的研究『 J ] ． 硅酸盐学报 ， 1 9 8 1 ， 9 ( 3 ) ： 3 0 2 — 3 0 8 ． 【 4 ] 欧阳东， 谢宇平， 何俊元． 转炉钢渣的组成、 矿物形貌及胶凝特性[J ] _ 硅酸盐学报， 1 9 9 1 ， 1 9 ( 6 ) ： 4 8 8 — 4 9 4 ． [ 5 】K OU R O UN I S S ， T S I ~ I L I S S ， T S A K I R I D I S P E， e t a1．P r o p e r t i e s a n d h y — d r a t i o n o f b l e n d e d c e me n t s wi t h s t e e l ma k i n g s l a g ．Ce me n t a n d Co n c r e t e R e s e a r t h ， 2 0 0 7 ( 3 7 ) ： 8 1 5 — 8 2 2 ． [ 6 】S H I C J ． C h a r a e t e r i s t i 一2 S a n d c e m e n t i t i o u s p r o p e rt i e s o f l a d l e s l a g fi n e s f r o m s t e e l p r o d u c t i o n [ J ] ． C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a rt h ， 2 0 0 2 ( 3 2 ) ： 4 5 9 — 46 2． [ 7 ] 李永鑫． 含钢渣粉掺合料的水泥混凝土组成结构及性能研究[ D ] _ ] E 京 ： 中国建筑材料科学研究院， 2 0 0 3 ． [ 8 ] 侯新凯， 李虎森． 钢渣水泥生产走出困境的探讨[ J ] ． 水泥工程， 1 9 9 7 ( 1 )： 4 3 — 4 5 ． 作者简介： 张波( 1 9 8 9 一 ) ， 男。 联系地址： 北京市海淀区清华大学土木工程系( 1 0 0 0 8 4 ) 联 系电话 ： 0 1 0 — 6 2 7 8 6 2 2 1 筑材料学报， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 5 ) ： 5 9 8 — 6 0 3 ． [ 5 ] 过镇海， 时旭东． 钢筋混凝土原理和分析[ M ] E 京： 清华大学出版社， 2 0 0 3． 【 6 ]DH I R R K， L I MB A C HI Y A M C ．S u i t a b i l i t y o f r e c y c l e d a g g r e g a t e f o r u s e i n B S 5 3 2 8 d e s i g n a t e d m i x e s [ J ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n o f C i v il E n g i n e e r s ， 1 9 9 9 ( 1 3 4 ) ： 2 5 7 — 2 7 4 ． [ 7 ]ME L L MA NN G ． P r o c e s s e d c o n c r e t e rub b l e for t h e r e u s e a s a g g r e g a t e [ J ] ． Pr o c e e d i n g s o f t h e hlt e rua t i o n a l C o n f e r e n c e o n Ex pl o i t i n g W a s t e i n Co n c r e t e ． Du n d e e， 1 9 9 9： 1 7 1 —1 7 8 ． [ 8 】 吴淑海 ， 李晓文， 肖慧， 等． C 3 0再生混凝土变形性能及应力一 应变曲 线试验研究Ⅲ． 混凝土， 2 0 0 9 ， 2 4 2 ( 1 2 ) ： 2 1 — 2 5 ． 作者简介 联 系地 址 联 系电话 徐金俊( 1 9 8 ；6 一 ) ， 男， 硕士研究生 ， 主要从事再生混凝土结 构与异形柱结构体系的研究。 广西南宁市大学路 1 0 0号 广西大学土木建筑工程学院 ( 5 3 0 0 0 4 ) 1 3 8 78 8 0 6 0 48 【 5 】 J G J 3 —2 0 O 2 ， 高层建筑混凝土结构技术规程[ s ] 【 6 ] G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范【 s ] ． 作者简介： 王滋军( 1 9 7 0 一 ) ， 男， 博士， 副教授， 主要从事工程抗震、 新 型材料与结构体系等方面研究。 联系地址： 江苏省南京市中山北路 2 0 0 号 南京工业大学土木工程学 院( 2 1 0 0 0 9 ) 联系电话 ： 0 2 5 — 8 3 5 8 7 9 6 3 - 23 如 如 加 0 ＼ 越骠 ． 如 ∞ 如 加 0 ＼ 晒出 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m