基于ABAQUS的钢管混凝土组合剪力墙弹塑性有限元分析

文 章 编 号 ：０ ２— ６ ４ ２ １ ） ２— ０ ４— ３ １０ ５ ３ （０ ２ ０ ０ １ ０
基 于 Ａ ＡＱＵ Ｂ Ｓ的钢 管混 凝 土组 合 剪 力墙 弹 塑 性 有 限元 分 析
杨 亚 彬 ，汪 志 昊
（ 华北 水 利 水 电 学院 ， 南 郑 州 ４ ０ １ ） 河 ５０ １
１ 有 限元 模 型 的建 立
１ １ 材 料 本 构 模 型 ．
间 ， 费计算 机资 源 ． 浪 因此 在模 型生 成 时 ， 结合 网 应 格试验 确定合 理 的 网格 密度 ．
１４ 接 触 模 拟 ．
钢材 采用 Ａ Ａ Ｕ Ｂ Ｑ Ｓ软 件 中提 供 的 等 向 弹 塑 性
收 稿 日期 ：０ ２一 １— ５ ２ １ Ｏ １ 基 金 项 目 ： 北 水 利 水 电学 院高 层 次 人 才 科 研 启 动 项 目（ ０ ２ １ ． 华 ２１１）
之 间产 生相 对滑 动后 ， 面 剪 应力 保 持为 界
于平均 界 面黏结 力 ｒ ， 即 ｒ ＝ ≥ ｂｄ 。 。 Ⅲ
不 变．
剪 应力 临界 值 与界 面接触 压力 Ｐ成 比例 ， ｒ 且不 小
（） １
式 中 为 界 面摩擦 系 数 ， 钢与 混 凝 土界 面摩 擦 系 数 的取值 范 围为 ０ ２～ ． ． 于 圆 钢管 混凝 土 可 根 据 ． ０６ 对 Ｒ ｅｅ（ ９ ９ 的研究 成果 ， ｏｄ ｒ １ ９ ） 建议 的表 达式为
ａ ｏ ｎ ｉ，０ ． ｌＣ ｕ ｃｌ２ ０１
通过 对钢 管混凝 土组 合剪 力墙 的弹 塑性有 限元
分 析 ， 其破坏 过程 与工 作机理 分析 如下 ． 对
初 始 阶段 ， 板混 凝 土 和分 布 钢筋 均 处 于受 压 墙 应力 状 态 ， 在应 力 达到 混 凝 土 强度 后 受 拉 侧混 凝 土 墙 板首 先开裂 ． 随着 水平 荷载 逐渐 加大 ， 受拉侧 钢管 底 部受 拉屈服 ， 时墙板 混凝 土裂 缝开展 较 多 ， 此 应力
混凝 土与 钢管混 凝 土边 框 共 同工作 ， 剪 力 墙 的裂 使 缝 分布较 密且范 围 较 广 ， 现 出 良好 的抗 震 屈 服机 呈
柱 脚 中下 部进 入屈 服 ， 框 柱 的 变形 以弯 曲变形 为 边 主， 在受 压侧 边框底 部 出现 了钢管 的鼓起 变形 ．
制． 由于钢管混 凝土边 框柱 的存 在 ， 混凝 土墙体破 在 坏后， 剪力 墙仍 呈现 出承载 力下 降慢 、 后期 刚度退 化
图 １ 模 型边 界 及 加 载 方 式
筋 的受 拉应 力越 来越 大导致 裂缝 区域 钢筋屈 服 ．
１ ６ 非 线 性 方 程 求 解 ．
采 用增 量迭 代法 进行求 解 ． 每一 个荷 载增 量 ， 对 进行迭 代计 算 ， 每 一 级增 量 中 的计算 误 差 可 以控 使
制在很 小 的范 围内 ．
式 中： ｄ为 核 心 混 凝 土 的 直 径 ， ｍ； ｍ ｔ为 钢 管 壁
厚。 ｍｍ．
１ ５ 边 界条 件及 加载 方式 ． 钢 管 混凝 土 边框 柱 脚 和墙 板 底 部均 为 固定端 ．
加 载 梁 顶 部 施 加 轴 向 均 布 荷 载 ， 载 梁 端 施 加 水 平 加
荷 载 ． 力施 加完 成后 ， 轴 在加 载梁端 施加 水平 方 向的
荷 载 ． 界 条 件 及 加 载 方 式 如 图 １所 示 ． 边
图 ３
墙 板 主 应 力 矢 量 图
图 ４为试件 达 峰值荷 载时墙 板分 布钢 筋应力 云 图 ． 板左 上部 至右 下部 对角线 方 向的 区域 中 ， 布 墙 分
钢筋 屈服 ． 区域 为墙 板 最 大 主塑 性 应 变值 较 大 的 该 区域 ． 表 明墙 板上 弯剪 斜裂缝 不断 开展延 伸 ， 钢 这 使
１ ５
触 和切 线方 向的黏 结 滑移 构 成 ． 管 混凝 土 界 面 法 钢
顶部 ， 部 裂缝最 大并 延伸 至受压 侧 ． 底
向的接 触采 用硬接 触 ， 触 单元 传 递 界 面压 力 Ｐ， 接 垂
直 于接 触 面的压力 可 以完 全地 在 界 面 间传 递． 管 钢 与混凝 土界 面切 向力 模 拟 采用 库 仑 摩 擦模 型 ， 面 界 可 以传 递剪 应 力 直 到 剪 应 力 达 到 临界 值 ｔ ， 面 ｒ 界
１ ２ 单 元 选 取 ． 钢 管 中 核 心 混 凝 土 与 墙 板 混 凝 土 、 管 均 采 用 钢
混凝 土结 构技术 规程 》 Ｃ Ｃ ５ ） 出了带 矩形 钢 （ Ｅ Ｓ１ ９ 给
管 混 凝 土 边 框 的 剪 力 墙 的 设 计 方 法 ． 汉 强 等 运 夏 用 Ｓ Ｐ ０ ０有 限 元 软 件 对 矩 形 钢 管 混 凝 土 边 框 剪 Ａ ２０ 力 墙 进 行 了 有 限 元 分 析 ， 果 表 明 ， 程 中 将 作 用 于 结 规
第３ ３卷 第 ２期
２１ ０ ２年 ４月
华
北
水
利
水 电
学
院
学
报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｒｈ Ｃｈ ｎ ｎｓｉｕ ｅ ｏ ａｅ ｎｓ ｒ ｎｃ ｎｄ Ｈｙ ｏ ｌ ｔｉ ｗｅ ｏ ｒ ａ ｆＮｏ ｔ ｉ ａ Ｉ ｔｔｔ ｆＷ ｔｒＣｏ ｅｖａ ｙ ａ ｄｒｅｅｃｒｃ Ｐｏ ｒ
研究 表 明 ， 约束混凝 土 的塑性 会有 所增加 ． 因此采用 了文 献 ［ ］ 出 的适 用 于 Ａ Ａ Ｕ ５提 Ｂ Ｑ Ｓ软件有 限元 分 析
的核 心混凝 土单轴 应 力 一应 变关 系 ， 其考 虑 了核 心 混凝 土受 钢管被 动 约束 的特 点 ， 正 了 素混 凝 土单 修 轴应 力 一 变关 系 曲线 的下 降段 和峰值 应变 ． 应 墙板 混凝 土单轴受 压性 能 采 用 文献 ［ ］ 出的 ６提 模 型来定 义 ， 混凝 土 受 压模 型 经 过 了 大量 的实 验 该 验证 ， 具有 形式 简单 、 用 范 围广 等优 点． 适
钢管 混凝 土组合 剪力 墙 的整体 弯矩 全部 由钢 管混凝
土柱 中产 生 的轴 向拉 力 或 压 力 承 担 ． 我 国， 在 钢 管混 凝土 组合 剪力 墙 已经 在深 圳 ７ ２层 赛 格 广 场大 厦 和杭州 瑞 丰商业 大厦 中运用 ． Ａ Ａ Ｕ 是 一套 功能 强大 的基 于有 限元方 法 的 Ｂ Ｑ Ｓ 工 程模 拟软件 ， 可 以解 决 从 线 性 分析 到 非 线 性模 它 拟等 问题 ． 者通 过 Ａ Ａ Ｕ 作 Ｂ Ｑ Ｓ软 件对 钢 管混 凝 土组 合 剪力 墙进 行有 限元 分 析 ， 拟 钢 管混 凝 土 组 合 剪 模
关键 词 ： Ｂ Ｑ Ｓ 钢 管混 凝 土 ； 限 元 ； 震 机 理 Ａ Ａ Ｕ ； 有 抗
钢 管 混凝 土组 合 剪 力 墙 是 一 种 新 型组 合 剪 力
墙 ， 有 多 道 抗 震 防 线 和 良好 的 抗 震 性 能 ． 前 ， 具 目 国
模型 ． 该模型 多用来 模拟 金属材 料 弹塑性 性能 ． 其应 力 一应变关 系采用 全 曲线模 型． 钢管 内受 约束 的混 凝土 和墙板 的普 通混凝 土在 塑性 性能上差 异很 大 ． 目前 对 约 束混 凝 土 受 力性 能
内外学 者对 钢管 混凝 土组 合 剪 力墙 的研 究 较 少． 其 中 ， ｓ ｎ ｈＡ ｌ 学 者研 究 了 １ １ ２缩 尺 的钢 管 Ａ ｔ ｅ—ｓ等 ａ 个 ／ 混凝 土边框 剪力 墙 ， 明 了该 试 件 具 有很 好 的延 性 证 和荷 载 一位 移性 能 ． ０ ４年 颁 布 的 《 形 钢 管 ２０ 矩
图 ５ 钢 管 Ｍ ｉｅ ｓ ｓ应 力 云 图
参 考 文 献
［ ］Ａ ｏ ａｓｎＡ ｔ ｅ—ｓ Ｓｉ ｉ ｂｈｖ ｒ ｎ ｅ ｇ ｆｔｅ １ ｂｌ ｓ ，ｓ ｎｈＡ１ ｅ ｍｃ ｅａｉ ｄｄｓ ｎｏ ｅｌ ｈ ａ ａ ． ｓ ｏａ ｉ ｓ
Ｐａ ｈａ ｗ ｌ ［ ］Ｍｏ ｇ，Ａ：ｔ ｃ ｒｌ ｔ ｌ ｄ ｃｔｎ ｌｅｓｅｒ ａ ｓＲ ． ｒ ａＣ Ｓ ｕｔ ａ Ｓｅ ｕａｏ ． ｔ ｌ ａ ｒ ｕ ｅＥ ｉ
力墙 的受力 过程 ， 期 全面 地认识 其抗 震机 理． 以
三维实体 单元 Ｃ Ｄ Ｒ 墙 体 分布 钢 筋采 用 三 维杆 单 ３８ ．
元 Ｔ Ｄ ， 剪 键 采 用 壳 单 元 Ｓ Ｒ ３ ２抗 ４ ．
１ ３ 网 格 划 分 ．
如 果 网 格 划 分 较 大 ， 果 可 能 不 太 准 确 或 产 生 结 错 误 ． 果 网 格 划 分 过 于 细 致 ， 耗 费 过 多 的计 算 时 如 将
钢管 与混凝 土 的界 面模 型 由截面法 线方 向 的接
作 者 简 介 ： 亚 彬 （９ ０ ） 男 ， 南 平 顶 山人 ， 师 ， 士 ， 杨 １８ 一 ， 河 讲 博 主要 从 事 组 合 结 构抗 震方 面 的研 究
第３ ３卷第 ２期
杨亚彬 ， ： 基于 Ａ Ａ Ｕ 等 Ｂ Ｑ Ｓ的 钢 管 混 凝 土 组 合 剪 力 墙 弹 塑 性 有 限 元 分 析
２ 计 算 结 果 分 析
Ａ Ａ Ｕ Ｂ Ｑ Ｓ定 义当混凝 土单 元 中出现受 拉 塑性 应 变 （ 大 主 塑 性 应 变 ） ， 表 示 该 混 凝 土 单 元 开 最 时 即 裂， 裂缝 的方 向垂 直 于最大 主塑性 应变 方 向 ， 裂缝 的
宽度 可 近似地 由最 大 主塑性应 变矢 量箭 头 的长短来
平 稳 的特 征 ， 有 较 好 的延 性 ． 具
３ 结
语
通过 Ａ Ａ Ｕ Ｂ Ｑ Ｓ有 限 元 软 件 对 钢 管 混 凝 土 组 合 剪 力墙进 行 了弹塑 性 有 限元 分 析 ， 效 地模 拟 了其 有 破 坏过程 ， 揭示 了其 抗 震 机 理． 果 表 明 ， 采 用 的 结 所 有 限元模 型合 理 ， 以较 好 地 反 映 出剪 力墙 在 荷 载 可 作用下 的应 力 、 应变 等微 观受 力状态 ， 为钢管 混凝 可 土组 合剪力 墙 的设 计提 供理 论依据 ．
Ｊ ＝２ ３ ４—０ ０ ９ ５ ｄ ｔ 『 ｂ ．１ ． １ ／ （ ２）
图２ 墙 板 主 塑性 应 变 矢量 图
对 于方 钢管 混凝 土 ， 表达 式 为
ｒｎ ¨ ｈｄ＝０ ７ ２ ３ ４—０ ０ ９ ５ Ｂ ｔ ． ５（ ． １ ． １ ／ ） （ ３）
图 ３为试 件达 到峰值 荷 载时墙 板混凝 土 主应力 矢 量 图 ， 时墙板 混凝 土的 主应力 呈斜 向分 布 ， 此 裂缝 出现 的区域 主应 力 与竖 直 方 向夹 角 较 大 ， 侧 区域 右 主应力 与竖 直方 向夹角 较小 ， 以受 压为 主．
反 映 ． ２为 试 件 达 到 峰 值 荷 载 时 墙 板 主 塑 性 应 变 图 矢 量 图 ， 时墙 板 中 混 凝 土 的 裂 缝 开 展 至 接 近 墙 板 此
图 ４ 墙 板分 布 钢 筋 应 力云 图
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利
水 电
学
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图 ５为试件 达到 峰值荷 载 时钢管 混凝 土边框 的 Ｍｉ ｓ 力 云 图状 态． ｓ 应 ｅ 在试 件 达 到峰 值 荷 载 时 ， 框 边
摘 要 ： 管 混 凝 土 组 合 剪 力 墙 是 一 种 新 型 剪 力 墙 ， 充 分 发 挥 不 同受 力 体 系 和 不 同 材 料 的 抗 震 优 势 ． 用 钢 能 采
大 型有 限元 分 析软 件 Ａ Ａ Ｕ Ｂ Ｑ Ｓ对 该 新 型 剪 力 墙 进 行 了 弹 塑 性 有 限元 分 析 ， 究 了钢 管 混 凝 土 组 合 剪 力 墙 在 研 荷 载作 用 下 的应 力 、 变 等 微 观 受 力 状 态 ， 示 了其 破 坏 过 程 和 抗 震机 理 ． 应 揭