剪力墙结构连梁刚度折减系数研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇剪力墙结构连梁刚度折减系数研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
【摘要】联肢剪力墙在水平地震作用下，墙肢首先发生弯曲变形，由于墙肢的竖向变形的差异，使连梁发生转动，从而使连梁产生弯矩和剪力，连梁与墙肢的相互作用产生的约束弯矩和剪力较大，连梁在实际工作中容易发生剪力超限和受弯超筋而发生脆性破坏的情况。针对这一现象，规范提出对连梁的弹性刚度进行折减这一方法，来改善连梁的受力情况以解决其超限问题。而连梁刚度的大小，表现为连梁对剪力墙墙肢的约束程度，因此连梁刚度对剪力墙受力和破坏产生较大的影响。
地震是近年来人类社会面临的最严重的自然灾害之一。20 世纪 60 年代出现的剪力墙结构，整体性好，抗侧刚度大，承载力大，在水平力作用下产生较小的侧移，经过合理设计可以达到很好的延性水平，而被广泛应用于多层和高层钢筋混凝土建筑房屋中。连梁是剪力墙结构中的重要构件，剪力墙中连梁设计是受很多因素制约的。其设计合理与否， 直接关系到剪力墙的受力性能， 关系到整个结构的安全、合理。因此合理地设计剪力墙中连梁是保证整个建筑安全的重要措施之一。连梁一般具有跨度小、截面大、与其相连的墙体刚度很大等特点。连梁刚度的大小表现为连梁对剪力墙墙肢的约束程度，因此其对剪力墙受力和破坏产生较大的影响。联肢剪力墙在水平地震作用情况下，剪力墙墙肢先于连梁产生弯曲变形，墙肢之间存在竖向变形的差异，因而连梁会发生转动，从而使连梁产生弯矩和剪力，连梁与墙肢的相互作用产生的约束弯矩和剪力较大，而且约束弯矩与剪力在连梁两端方向相反，使连梁产生很大的剪切变形，容易产生斜裂缝。因此，在地震荷载作用下，连梁容易形成交叉裂缝，使混凝土开裂，构件破坏。在建筑遭受强烈地震时，连梁是剪力墙结构的第一道防线，起着消耗地震能量的作用，如果连梁刚度过大，变成了“强连梁弱墙肢”结构体系，连梁对墙肢的约束作用过强，连梁承担的剪力过大，容易造成结构设计连梁超筋或剪力墙形成矮墙，发生脆性的剪切破坏，而剪力墙容易形成塑性铰，给结构的安全性带来了隐患；连梁刚度过小，容易发生破坏而影响正常使用，而且将丧失其作为第一道防线的耗能减震的作用，并且失去其对剪力墙墙肢的约束作用，使墙肢之间丧失联系变成独立的悬臂墙肢，对墙肢的平面外稳定和结构的整体受力不利，往往会出现剪力墙配筋过大， 甚至出现剪力墙墙肢超筋现象。
一、剪力墙结构的弹塑性分析模型
随着经济的飞速发展，高层建筑结构体系也越来越复杂，对其设计分析面对越来越大的挑战。ABAQUS 被广泛地认为是功能最强大的有限元软件，可以分析复杂的固体力学、结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题，其优异的分析能力和二次开发能力使得其在涂抹工程中得到大量成功应用。ABAQUS 也具有相当丰富的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能。对于一个结构而言，延性水平往往是在结构弹塑性阶段性能的体现，也就是进入了结构的非线性分析阶段。非线性动力时程的分析受到多方面因素的制约，如材料恢复力本构模型、单元模型的确定、地震波的选取和动力方程的数值解法等等，都会对分析结果造成很大的影响，本文运用的 ABAQUS 有限元软件给这些因素的选取和施加提供了广阔的空间，而且操作相对简便灵活。
二、弹塑性时程分析方法
弹塑性时程分析方法是一种直接动力计算方法，在结构的基础部位作用一个地面运动，用动力方法直接计算出结构随时间而变化的地震反应。通过计算可以得到输入地震波时段长度内结构地震反应的全过程，包括每一时刻的构件变形和内力，每一时刻的结构位移、速度和加速度。弹塑性时程分析还可以得到构件屈服的位置、塑性变形等，也可以得到各种反应的最大值，各种反应的最大值并不在同一时刻出现。直接动力分析方法既考虑了地面震动的振幅、频率和持续时间三要素，又考虑了结构的动力特性。时程分析方法是一种较先进的直接动力计算方法。地面运动是随机函数，动力方程不能得到解析解，一般是用逐步积分的方法。
通过 ABAQUS 对不同的配筋双肢剪力墙进行小震作用下弹塑性分析主要得出以下结论：
1.连梁刚度折减较多的配筋双肢剪力墙层位移和层间位移角等位移响应较大，剪力相对较小；
2.小震作用下双肢剪力墙的损伤主要体现在连梁两端和底部两层的暗柱上，中间层连梁两端的损伤较严重，较高或较低的楼层损伤相对减轻。连梁刚度折减的越多，连梁的配筋越少，连梁两端损伤仍然较严重，连梁破坏后而把内力转移到墙肢上去，连梁配筋较少的双肢剪力墙整体的损伤程度较严重，耗能较多，延性较好；连梁配筋较多的双肢剪力墙结构整体的损伤程度较轻，因此结构设计时连梁刚度不能任意折减，要保证结构的整体性。
三、不同连梁刚度折减的剪力墙结构弹塑性分析
通过改变连梁的弹性模量来实现连梁刚度折减系数折减，折减系数分别为 0.5，0.75，1.0。不同连梁刚度折减系数在小震、大震及超大震作用下结构性能的存在一定的差异。
1.层位移在小震作用下，结构各层位移随着连梁刚度折减系数的减小而增大；楼层越高，不同连梁刚度折减系数之间层位移的差值越大；连梁刚度折减系数越大，即连梁的刚度越大，层位移分布曲线的形状越向剪切型趋势发展。随着地震强度的加大，结构在大震和超大震作用下，不同连梁刚度折减系数之间层位移的相对差值越来越小，下部楼层的层位移几乎没有变化，上部楼层的层位移的相对差值很小；层位移分布曲线形状相似，均呈弯曲型。
小震情况下，结构处于弹性状态，连梁刚度折减系数越小，即连梁的刚度越小，连梁对剪力墙的约束较弱，结构的整体刚度越小，层位移也就越大。结构在大震和超大震作用下，连梁从中间层开始逐渐进入屈服状态，损伤逐渐加重直至其退出工作，内力转移到剪力墙上，此时基本上由剪力墙承担大部分地震作用，并且剪力墙逐渐从底部进入损伤过程，不同连梁刚度折减系数之间剪力墙没有变化，因此，层位移变化不大。
2.层间位移角
层间位移角最大值所在的楼层并没有固定在一个楼层，小震情况下，随着连梁刚度折减的减小，层间位移角的最大值向高楼层转移；在大震和超大震作用下，层间位移角最大值所在楼层基本上不随连梁刚度折减系数的变化而发生改变。不同连梁刚度折减系数结构的层间位移角差值变化规律与层位移变化规律类似，小震作用下差值较大，大震和超大震情况下的相对差值小些，而且差值随着楼层高度的增加而变大。
3.构件损伤
小震作用下结构处于弹性状态，连梁和剪力墙基本无损伤，中间层楼板出现不同程度的损伤。大震作用下，中间层连梁大部分进入损伤过程，但是大部分没有达到本文定义的退出工作的数值。超大震作用下，剪力墙底部损伤程度明显加重，中部连梁损伤较严重，多数退出工作。随着连梁刚度折减系数的减小，中部连梁屈服数量增多，剪力墙的损伤程度加重，损伤延伸到更高的楼层。
四、结语
本文通过 ABAQUS 有限元软件建立双肢剪力墙和剪力墙结构模型， 施加单方向的地震动输入，对其进行弹塑性分析，分别研究按照规范思路对连梁弹性刚度进行折减和通过改变连梁弹性模量来改变连梁刚度两种情况对剪力墙抗震性能的影响。
参考文献：
[1] 汤顺波.浅析剪力墙结构中连梁设计[J].四川建材，2008，（1）：60-70.
[2] 冯立军.浅析高层剪力墙连梁抗震设计[J].福建建材，（9） ：37-38.
[3] 蔡忍行.高层剪力墙结构中连梁设计的浅谈[J].江西化工，2010（4）：134-135.
[4] 方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[M].北京：机械工业出版社，2004.