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高强混凝土-型钢剪力墙的有限元分析

发布于:2016-06-27 18:45
有限元分析

      近年来,高强高性能混凝土在国内外的高层建筑中应用越来越多,高强混凝土剪力墙作为高层建筑中的主要抗侧力构件,其抗震性能的好坏对结构影响很大,大量学者已对高强混凝土剪力墙进行系统全面地研究。目前国内外对普通强度的混凝土剪力墙进行的研究工作较多,而对高强混凝土剪力墙的研究较少,主要是西安建筑科技大学对高强混凝土剪力墙做过一些研究,但对高强混凝土剪力墙来说,仍缺乏系统的理论分析和试验研究,设计中所采用的力学模型和设计计算方法,缺乏试验依据,这些问题给实际工程及设计带来很多不便。因此,对高强混凝土剪力墙进行系统的研究是很有必要的。在低周期的反复荷载试验基础上,利用ANSYS有限元分析程序对单调荷载作用下的高强混凝土组合剪力墙进行了非线性有限元分析,通过建立相关的有限元模型,模拟计算结果和试验结果较为吻合,说明建立的ANSYS有限元模型是合理的,可较为真实地模拟实际剪力墙的受力性能。
      采用的分析模型为3个带边框的工字形截面高剪力墙,试件编号分别为SW、TSW和TSW-BT。其中,SW为高强混凝土普通剪力墙,TSW为内藏钢框架高强混凝土剪力墙,TSW-BT为内藏斜向支撑钢框架高强混凝土剪力墙。剪力墙采用C60细石混凝土浇筑,槽钢采用热轧普通5号(高为50 mm,翼缘宽为37 mm,腹板厚为4.5 mm),混凝土、型钢及钢筋的材料力学性能实测值分别见表。因为三个试件基本的配筋是相同的,仅列出TSW-BT的配筋图及测点布置图,如图所示。
      钢筋混凝土有限元模型,根据钢筋的不同处理可以分为分离式、整体式和组合式这三种有限元模型。根据高强混凝土剪力墙的构造特点,这里采用分离式的有限元模型,把混凝土、钢筋和型钢作为不同的单元来处理,混凝土、钢筋和型钢各自被划分为足够小的单元,其刚度矩阵是分开来求解的。
      采用solid65单元模拟高强混凝土剪力墙的混凝土,link8单元模拟剪力墙中的钢筋,shell181模拟剪力墙中内包的型钢、型钢、钢筋和混凝土单元采用是共用节点,鉴于钢筋和混凝土之间粘结较好,相对滑移很小,故将其视为刚性联结,混凝土与钢筋之间不用联结单元,根据高强混凝土剪力墙材料的受力特点和试验模拟加载特点,对于高强混凝土轴向受压的应力-应变关系,采用多线性随动强化模型(MISO),并采用文献所建议的混凝土单向受压的应力-应变公式确定应力与应变之间的关系。当混凝土受到轴向拉伸时,假定混凝土受拉的应力-应变关系曲线为直到拉断均为直线,这时的弹性模量相当于受压时的初始弹性模量,钢筋及型钢的力学模型采用双线性随动强化模型(BKIN),模拟其本构关系。
      在有限元分析中,如果考虑混凝土压碎时,计算难以收敛,没有考虑混凝土的压碎,在W-W五参数破坏准则中,单轴抗压强度取-1。
      在网格划分中遵循的原则是各单元的节点能够位置重合,但由于位置的限制,型钢的尺寸不可能与实际情况完全一致,采用等效面积的原则将型钢薄板单元shell181的厚度进行修改。在对分布钢筋的模拟上,同样采用体积配筋率相同和各个节点统一的原则来布置,同时由于混凝土块单元solid65和分布钢筋单元link8单元的节点是完全耦合的,可以在不考虑保护层厚度影响的情况下,将钢筋直接布置在剪力墙墙体外表面,对型钢、钢筋和整体所建立的有限元模型如图所示。
      在对试验的加载方式及过程进行模拟时,高剪力墙的水平加载点位于加载梁两侧的各个节点处,为了避免由于局部荷载过大导致的单元模型局部变形过大,将加载梁中的混凝土块单元用线弹性材料替代原模型中的多线性塑性材料,并将材料的弹性模量扩大为普通混凝土的10倍。为了模拟试验中基础梁对墙体的固结作用,在有限元模型中对墙体底部的所有节点的全部自由度进行约束。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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