叠合板式剪力墙在低周循环往复荷载作用下的弹塑性分析

Industrial Construction Vol.43，Supplement ，

2013工业建筑2013年第43卷增刊

叠合板式剪力墙在低周循环往复荷载作用下的

弹塑性分析

*

毕研超

沈小璞

（安徽建筑工业学院土木工程学院，合肥230022）

摘

要：针对叠合板式剪力墙结构，采用非线性动力推覆理论分析研究。并利用试验数据和非线性有限

元软件ABAQUS 对其进行低周循环往复荷载来模拟地震作用，

分析研究结构的抗震性能。特别是弹塑性阶段的耗能能力，以及叠合板式剪力墙的预制板和内部现浇部分的混凝土破坏形态的探讨。比较两者在弹塑性阶段的承载力、延性以及耗能能力的大小。进一步分析叠合板式剪力墙的受力形态以及预制板和现浇部分破坏形态的差异，预测结构的抗震能力和可靠性，探索新型结构抗震性能行为，阐明结构多道抗震设防机制，解释结构破坏规律。

关键词：叠合板式剪力墙；弹塑性；破坏形态；ABAQUS

ELASTOPLASTIC ANALYSIS ON SUPEＲIMPOSED SLAB SHEAＲWALL

UNDEＲLOW CYCLIC LOADING

Bi Yanchao

Shen Xiaopu

（School of Civil Engineering ，Anhui University of Architecture ，Hefei 230022，China ）

Abstract ：In this thesis ，nonlinear dynamical theory was used to do a push-over analysis of superimposed wall structure．And ，making use of experimental data and nonlinear finite element software ABAQUS were used to do the analysis of the seismic performance under the simulated earthauake by low cyclic load ，especially about the energy dissipation capacity on elastic-plastic stage ，as well as the concrete failure mode of the precast slab and the internal cast-in-place part for superimposed slab prefabricated shear walls．The analysis to compare their carrying capacity ，ductility and energy dissipation capacity on elastic-plastic stage．Further analysis was done on the force mode of the superimposed wall to find the differences between the failure mode of the prefabricated panels and cast-in-place part and the seismic capacity and reliability of the structure were predicted ，thus exploring the seismic performance of the structure ，clarifying the multi-channel seismic resistance mechanism of the structure and explaining the damage law of the structure．

Keywords ：superimposed shear wall ；elasticity-plastic ；failure mode ；ABAQUS

*安徽省自然科学基金项目（090414272x ）。

第一作者：毕研超，男，1987年出生，硕士研究生。电子信箱：biyanchaobeyond@126．com

收稿日期：2013－04－28

0引言

地震是造成建筑物结构破坏的主要灾害之一，合理确定结构抗震性能指标和判据标准是预防和控

制灾害的关键，在强地震动激励下，所产生的地震作用效应与结构本身的刚度，质量，屈服强度和延性有着密切相关的联系，但对叠合板式剪力墙这一新型结构和节点非弹性破坏机理的认识方面还很有限。尤其是墙板结构内部现浇部分混凝土裂缝开展形态和破坏状态，以及与叠合预制墙板部分协同工作等

关键问题，非常值得探讨和研究

［1－6］

。为了确定影响叠合板式剪力墙结构抗震性能设计的主要因素，指标和判据标准，采用非线性动力推覆理论分析研

究，并利用试验数据和静动力非线性计算机模拟，分

析预测结构的抗震能力和可靠性。探索新型结构抗震性能行为，

阐明结构多道抗震设防机制，解释结构破坏规律。

针对叠合板式剪力墙结构，利用非线性有限元软件ABAQUS 对其进行低周循环往复荷载来模拟地震作用，分析研究结构的抗震性能。特别是弹塑性阶段的耗能能力，以及叠合板式剪力墙的预制板

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和内部现浇部分的混凝土破坏形态的探讨。

1混凝土的非线性理论

混凝土材料的非线性模型是通过试验数据进行总结归纳，经过回归分析而得出的。在建立混凝土有限元模型的过程中，通过ABAQUS对模型参数的设置来近似表现混凝土材料在加载过程中的工作性能和破坏形态。

1.1破坏准侧

多轴应力状态下混凝土屈服失效准则表达式如下：

F

f

c

－S≥0（1）式中：F是主应力（σxp，σyp，σzp）的函数，S表示失效面，是关于主应力及f t、f c、f cb、f1、f2五个参数的函数，在不满足（1）式时，混凝土不发生开裂破坏［7］。ABAQUS中采用的屈服准则是基于古典强度理论中的Drucker-Prager理论，即修正的Von Mises和Mhorcoulomb理论。Drucker和Prager提出的圆锥面来代替莫尔锥体，其表达式为：

f（I

1，I

2

）=αI

1

+J

槡2－K=0（2）

式中：α，K是材料常数，它与常数C，φ有关；I1，J2是应力不变量。当α=0时，就化为Von Mises准则。圆锥体的大小可以通过α，K来调整［8］。

1.2混凝土本构关系

采用Concrete Damaged Plasticity塑性损伤本构模型［8］，这种模型能够模拟结构实体中的混凝土材料的工作性能。并考虑各向同性弹塑性损伤结合各向同性压缩和拉伸塑性理论来表征混凝土的弹塑性力学性能，同时可以模拟混凝土受到循坏荷载作用下的力学行为。弹塑性理论是Concrete Damaged Plasticity模型的理论基础，其关键在于变形被分成两部分弹性部分和塑性部分，在加载完毕后的卸载阶段混凝土的塑性变形是不能恢复的。在单轴的拉伸或压缩下最终都会出现力学性能上的软化现象，这是由于在混凝土内部构造在达到一定应力值时会出现变化。材料的屈服破坏由两个等效的应变控制，根据ABAQUS中定义的应力与非弹性应变，单轴应力应变曲线可以转化为应力与塑性应变关系曲线［9］。

1.3损伤因子

损伤是指在单调荷载或往复荷载作用下，材料性质会出现耗损，损伤的宏观表现就是由裂纹产生材料的耗损状态，可以用损伤因子来描述。在弹性阶段，该模型采用线弹性模型对材料的力学性能进行描述，进入损伤阶段后，模型损伤后的弹性模量可以表示为损伤因子d和初始无损弹性模量的关系式：

E=（1－d）E

（3）式中：E0为初始弹性模量。

2模型材料参数

2.1参数设置

表1混凝土参数一览［10］

混凝土强

度等级

弹性模量

E c/（N·mm－2）

密度ρ/

（kg·m－3）

泊松比

μ

抗压强度

f ck/（N·mm－2）

抗拉强度

f t k/（N·mm－2）

C403250024500.226.8 2.39

C303000024000.220.1 2.01

表2C30混凝土计算参数［11］

抗压强

度/MPa

非弹性应

变/ˑ10－3

损伤因

子d c

抗拉强

度/MPa

非弹性应

变/ˑ10－3

损伤因

子d c

15.450.0000.000 2.0100.0000.000

18.480.1510.0650.6600.3500.359

19.930.3760.1370.4190.6470.620

20.100.5150.1780.3190.9370.756 19.6100.8330.2640.226 1.5130.876 15.880 1.8930.5010.180 2.0870.924 12.490 2.9370.6650.152 2.6600.949 10.070 3.9340.7670.130 3.3270.964

7.50 5.5280.861———

4.898.9950.939———

表3C40混凝土计算参数［11］

抗压强

度/MPa

非弹性应

变/ˑ10－3

损伤因

子d c

抗拉强

度/MPa

非弹性应

变/ˑ10－3

损伤因

子d c 24.0190.0000.000 1.7800．000.00 29.2080.4000.1299 1.4600.100.30

31.7090.8000.2429 1.1100.300.55

32.358 1.2000.34120.9600.400.70 31.768 1.6000.42670.8000.500.80 30.379 2.0000.50120.5360.800.90 28.507 2.4000.56600.359 1.000.93 21.907 3.6000.71400.161 2.000.95 14.897 5.0000.82430.073 3.000.97

2.95310.0000.96910.040 5.000.99

表4钢筋材料参数一览表［10］

混凝土强

度等级

弹性模量

E c/（N·mm－2）

泊松比

μ

密度ρ/

（kg·m－3）

屈服应力值

f st/（N·mm－2）HPB3352000000.37800300

HＲB4002000000.37800360

2.2模型单元

2.2.1混凝土单元选择

混凝土单元采用ABAQUS单元库中的三维实体线性减缩积分单元（C3D8Ｒ），它是仅在角点处有节点的单元，每个节点有x，y和z三个方向的自由度，并在每一个方向上采用线性插值。此次模拟采用减缩积分（Ｒeduced integration）比完全积分单元在每个方向少用一个积分点，减缩积分的线性单元

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