轴压比变化时十字型短肢剪力墙非线性分析

材料，降低造价。它不仅能使建筑取得较好的经济效益，而且有利于实现节能指标，近年已经成为学术界中的一项热门课题。周雪峰[2]等基于有限元原理分析了混凝土强度等级、轴压比、翼缘宽度和墙肢截面配筋率对T形短肢剪力墙构件延性性能的影响。在工程设计中，应合理选择这些参数，使短肢剪力墙具有良好的延性，增强结构的抗震能力。张强[3]等以带暗支撑的十字型钢筋混凝土短肢剪力墙结构非线性分析为研究背景，进行构件程序试验，研究了构件尺寸相同的情况下暗支撑倾角不同的十字型短肢剪力墙的承载力、变形能力、刚度、延性、耗能等的变化情况，揭示该型短肢剪力墙结构的真实力学行为。尚军[4]等为了研究型钢短肢剪力墙的承载力性能，运用大型有限元软件ANSYS设计了1：1的型钢短肢墙试件。通过有限元软件的模拟试验，运用有限元软件的后处理功能处理的试验结果分析研究短肢剪力墙的承载力性能，破坏过程及破坏特征，对试件的极限承载力，屈服承载力，开裂荷载进行了深入的研究。李亚娥[5]等选用ABAQUS有限元分析软件，对4个普通短肢剪力墙和7个加暗支撑的短肢剪力墙模型进行了低周反复荷载作用下的受力性能研究，并在此基础上分析了混凝土等级与暗支撑箍筋直径对带暗支撑短肢剪力墙受力性能的影响。

本文以钢筋混凝土十字型短肢剪力墙结构非线性分析为研究背景，进行构件程序试验，运用FORTRAN语言编写非线性分析程序，得出短肢剪力墙的轴压比等因素对构件的破坏形态和极限荷载的影响，同时获得结构的延性指标，揭示该型短肢剪力墙结构的真实力学行为。

二、有限元程序模型设计

本文是采用FORTRAN90编写的钢混凝土短肢剪力结构非线性有限元分析程序。整个程序是由1个主程序和多个子程序组成，共有FORTRAN语句有一千多条。ANSYS有限元的计算求解需要耗费近一个小时，而程序的计算求解只需要几秒钟就能得到结果。运用程序计算能节省一定地计算时间，提高了运算效率。

有限元程序设计的主要内容为：输入数据，求零时刻的单元刚度矩阵，组集成零时刻的总纲，形成总体荷载，用约束条件改造总刚与荷载向量，解方程求位移，求单元的抗力，输出数据。本程序采用的是力加载的方法来研究十字形短肢剪力墙的非线性变化。程序的结构流程图如下图1所示。

钢筋混凝土十字形短肢剪力墙在八组不同轴压比的影响下，可得到构件的极限荷载，同时获得结构的延性指标，揭示该形短肢剪力墙结构的真实力学性能。在掌握材料本构关系[6]的基础上，以纤维墙元模型[7]为基础，建立了钢筋混凝土十字形短肢剪力墙模型，该试件比例1：1。墙肢截面厚度为200毫米，试件长翼缘的宽度为1240毫米，短翼缘的宽度为520毫米，墙高3米，保护层厚度为20毫米。钢筋采用Φ10，分布钢筋采用Φ6。试验中钢筋采用HPB235 （Q235），强度设计值为210N/mm2 ， 弹性模量为200kN/mm2。试验中的混凝土采用C40。

三、试验结果分析

3.1承载能力分析

考虑轴压比变化时，极限荷载、屈服荷载变化情况，如图2所示：

从图2可以看出，十字形短肢剪力墙结构的轴压比从0.1 到0.3 时承载力得到了提升，当轴压比再提高到0.5 以后，承载力不再明显增长。而屈服强度[8]在轴压比提高的同时相应提高。但是，在混凝土极限压应变不变的情况下，轴压比越大，截面受压区高度也会随之变大，试件的变形能力和延性都会减小，为了保证偏心受压构件的截面具有一定的延性，有必要限制结构的轴压比。

3.2刚度分析

3.2.1 刚度分析

由于试件的滞回曲线在开裂之前基本保持直线，可以认为试件的刚度退化是从开裂点开始的，即假设开裂点之前的刚度基本保持不变，由荷载除以对应的位移，可以得到试件的等效刚度，其与开裂刚度之比即为刚度退化系数，不同轴压比试件的荷载和等效退化刚度系数之间的曲线图。

曲线从下至上依次对应的轴压比是0.1，0.2，0.3，0.35，0.4，0.5，0.6，0.7。从图3可知，在轴压比不同的情况下，曲线走势相近，显然，可知在相同荷载作用下，轴压比较大的试件比轴压比小的试件刚度大。

3.2.2变形能力分析

荷载-位移代表结构宏观非线性综合性能，因此在结构分析中是必不可少的。

从图4可知骨架曲线从一开始表现出理想的弹性性质，曲线呈直线变化，初始刚度和承载能力变化不明显，而后曲线慢慢上升变缓，承载力在正方向增加缓慢但一直有增高的趋势。

延性是结构抗震性能中一个重要的特性，通常用延性系数来反映。在弹塑性反应谱中可以看出，延性越大，地震荷载越小。本文采用几何作图法确定屈服位移。考虑轴压比变化时最大位移，延性系数变化情况，如图5、图6所示。

在轴压比非常小的情况下，随着轴压比逐渐地增大，延性系数也会减小。当轴压比再继续增大时，轴向压力会越来越大，墙体的极限位移会越来越小。也就是在压力增大的情况下，墙体的延性系数急剧减小，说明墙体的塑性会随着轴压比增大而显著降低。

钢筋混凝土十字形短肢剪力墙结构的弹塑性耗能的大小是通过滞回曲线所包围的面积的大小来反映的。一般说来，滞回曲线包围的面积越是饱满，结构的耗能能力则越强。这里取骨架曲线在第一象限所包的面积作为比较各试件耗能能力的一个指标，它只是总耗能的一部分。按这样的比较指标，试件的耗能能力情况见图7。在轴压比为0.3左右时，耗能能力最强，随着轴压比地增大，耗能能力明显降低。

四、结论

（1）轴压比在一定范围内地增加，可以使构件的承载能力得到提高。随着十字形短肢剪力墙结构轴压比的增加，从图中可知其屈服荷载和极限荷载都得到了提高；当轴压比再增加到0.5 以后，承载力却不再明显增长。轴压比过大会则会导致根部混凝土开裂，可以看出轴压比在0.3左右时最为有利。

（2）从延性系数和耗能能力变化情况来看，随着轴压比的缓慢增加，延性系数和耗能能力都会减小；当轴压比在0.5之后继续增加，竖向压力会越来越大，墙体的极限位移会越来越小，延性系数则会急剧减小。当轴压比为0.3左右时，结构的延性最好，对抗震有利，结构设计中应尽量将轴压比控制在0.3 左右。

参考文献

[1]容柏生。高层住宅中的短肢剪力墙体系[J]。建筑结构学报，1997，18（6）：14-19；

[2]周雪峰，刘玲华，刘西民。T形短肢剪力墙的延性分析[J]。四川建筑科学研究，2012，38（4）：27-30；

[3]张强，高璇，陶澄澄，梁尤海。暗支撑倾角变化时十字型短肢剪力墙非线性分析[J]。四川建筑科学研究，2013，39（1）：20-22；

[4]尚军，李自林，张聪，朱少辉。型钢混凝土T形短肢剪力墙非线性分析[J]。西安理工大学学报，2013，29（3）：362-366；

[5]李亚娥，张瑞玲，田孟鲁，张兆瑾。“一”字形短肢剪力墙加暗撑时的仿真分析[J]。甘肃科学学报，2014，26（1）：130-133；

[6]邹翾。复杂截面钢筋混凝土框架结构的非线性分析研究[D]。上海：同济大学，2004；

[7]张强。基于纤维模型钢筋混凝土结构静力非线性全过程分析若干关键问题的研究[D]。上海：同济大学，2008；

[8] 张守军，李青宁，徐杰年。短肢剪力墙结构弹塑性静力性能仿真分析[J]。西安建筑科技大学学报（自然科学版），2006，38（2）：199-203，226。