[分享]剪力墙的损伤破坏,用分层壳单元就算对了吗?

发表于2018-01-31     836人浏览     1人跟帖     总热度:323  

进行建筑结构非线性分析时,剪力墙的损伤破坏模拟是个难点,目前有三大类考虑剪力墙非线性性质的方法:
1、用“塑性铰”模型模拟剪力墙
2、用“纤维单元”模拟剪力墙
3、用“细分壳单元”模拟剪力墙

目前普遍认为用“塑性铰”模型模拟剪力墙是过于粗糙的。用“纤维单元”模拟剪力墙也有明确缺陷,剪力墙最重要的抗剪非线性参数需要人为指定。在通用有限元软件中用“细分壳单元”模拟剪力墙被认为是目前最精细的一种方法。

使用通用有限元软件的分层壳单元是否就能全面、合理地反映了剪力墙中混凝土、钢筋的力学特性及相互作用呢?

这篇文章我们针对剪力墙分布钢筋的考虑方式做了些探讨。

1
剪力墙分层壳分布筋抗剪作用的考虑方式改进
在使用某通用有限元软件和SAUSAGE的分层壳单元分析钢筋混凝土剪力墙结构动力非线性响应时,在剪力墙受力复杂位置的混凝土易出现图 1所示的贯穿性带状损伤。这种损坏形式受到不少专家的关注和质疑,我们对此问题进行了深入研究并给出了改进方法。

剪力墙的损伤破坏,用分层壳单元就算对了吗?_1
图1  剪力墙受力复杂位置的带状损伤

通常使用某通用有限元软件进行非线性模拟时,剪力墙分层壳单元的分布钢筋采用Rebar Layer方式,即只考虑分布钢筋的拉压作用而不考虑分布钢筋的抗剪作用,如图2所示,SAUSAGE软件的早期版本也是学习某通用有限元软件的这种方法。
剪力墙的损伤破坏,用分层壳单元就算对了吗?_2
图2  钢筋混凝土分层壳

看一下规范,《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)第6.3.12条、6.3.14条给出的钢筋混凝土偏心受压、偏心受拉构件的斜截面受剪承载力计算公式中均考虑了分布钢筋的贡献。

剪力墙的损伤破坏,用分层壳单元就算对了吗?_3

剪力墙的损伤破坏,用分层壳单元就算对了吗?_4

因此做剪力墙非线性模拟时,不考虑分布钢筋的抗剪作用可能会存在一定的误差,但这种误差究竟多大?已有的参考文献很少,所以我们就结合SAUSAGE软件做了一下这方面的研究工作。

我们在SAUSAGE软件中给出了剪力墙分布钢筋在分层壳单元积分点处的抗剪贡献为:
剪力墙的损伤破坏,用分层壳单元就算对了吗?_5
式中,dc为混凝土等效受压损伤因子;ρsv、ρsh分别为竖向、水平分布钢筋的体积配筋率;τsvτsh分别竖向和水平分布钢筋剪应力

分布筋剪切应力-应变采用双线性随动强化模型:

剪力墙的损伤破坏,用分层壳单元就算对了吗?_6
式中,γsvγsh分别为单元积分点处竖向和水平剪切应变全量;△γsvγsh分别为单元积分点处竖向和水平的剪切应变增量;γsv 和γshp分别为单元积分点处竖向和水平分布筋塑性剪切应变。

2
实际工程算例验证
我们将剪力墙分布钢筋的通用有限元软件"Rebar Layer"方式与SAUSAGE软件的改进方法在如图3所示工程中进行了验证。
剪力墙的损伤破坏,用分层壳单元就算对了吗?_7
(a) SAUSAGE模型      (b) 某通用有限元软件模型
图 3 高层框架核心筒结构
某通用有限元软件和SAUSAGE软件的模态分析结果如表1所示,前10阶特征周期的最大误差为1.06%,质量误差如表2所示为0.59%,证明了二者的计算模型是一致的。

表1 结构特征周期对比
振型
特征周期T(s)
误差%
SAUSAGE
通用有限元
1
5.00
4.98
0.25
2
4.70
4.68
0.29
3
4.00
3.98
0.60
4
1.62
1.61
0.48
5
1.55
1.54
0.31
6
1.43
1.43
0.00
7
0.94
0.94
0.39
8
0.87
0.87
0.04
9
0.77
0.77
-0.19
10
0.63
0.64
-1.06

2结构质量对比
质量m(103kg)
误差%
SAUSAGE
通用有限元
152988.8
153891.1
-0.59

采用的人工合成地震动加速度时程和反应谱如4和图5所示。

剪力墙的损伤破坏,用分层壳单元就算对了吗?_8
(a) x 
剪力墙的损伤破坏,用分层壳单元就算对了吗?_9
(b) y 
图4 地震动加速度时程

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(a) x 
剪力墙的损伤破坏,用分层壳单元就算对了吗?_11
(b) y 
图5 地震动反应谱

由于某通用有限元软件动力显式分析中不支持振型阻尼,所以两个软件非线性显式动力分析均采用质量阻尼,以保持对比前提的一致性。

首先,两个软件均采用"Rebar Layer"方式,即不考虑分布筋的抗剪作用,最大层间位移角和最大层间剪力对比如图 6和图 7所示,分析结果基本一致,验证了SAUSAGE非线性求解器的正确性。
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(a) x向             (b) y
 6 最大层间位移角

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(a) x向             (b) y
 7 最大层间剪力

下面我们在SAUSAGE软件中(采用振型阻尼)讨论剪力墙分布钢筋是否考虑抗剪作用的影响。图 8给出了结构中剪力墙的布置,其中剪力墙W8、W10为受力较为复杂。本文主要对W8、W10的损伤进行对比。
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图 8 剪力墙布置平面图
 
剪力墙W8在下1/3处进行了收进,在收进位置形成两个“凹槽”形状两侧剪力墙的影响,“凹槽”底部位置剪切变形相对较大。如图 9所示,未考虑分布筋抗剪作用情况下,“凹槽”位置混凝土出现贯穿性带状损伤;考虑分布筋抗剪作用后,凹槽位置混凝土损伤程度明显减弱,且未向下部发展。
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图 9  剪力墙W8损伤

从图8中可以看出,剪力墙W10W2形成类似“工字形”,并且W10墙厚度相对较小,所以W10在与W2交接位置受力复杂。如图 10所示,W10在考虑分布筋抗剪作用后混凝土损伤明显减弱,未出现明显带状损伤。
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图 10 剪力墙W10损伤

3
结论 
1) 通过实际工程算例,可以看出SAUSAGE软件有能力与权威的非线性通用有限元软件进行“背靠背”对比验证。

2)  采用通用有限元软件的"Rebar Layer"方式,如果处理不当将忽略剪力墙分布钢筋的抗剪作用,贯穿性带状损伤的产生与此直接相关。

3)  根据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)中斜截面抗剪承载力的计算方法,SAUSAGE软件中给出了一种改进的剪力墙分层壳单元分布钢筋考虑方法。
 
2018年3月即将发布的SAUSAGE软件2018版本中增加了剪力墙分布钢筋不同考虑方式的选项,如图11所示。2018版本的SAUSAGE软件还将提供新的十大亮点,敬请期待。

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图11  SAUSAGE软件2018版本相关选项


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 发表于2018-02-01   |  只看该作者       筑龙币+20

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北京  | 建筑施工

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