一向少墙结构弹塑性分析

01

一向少墙结构

一向少墙结构是指在结构在一个方向剪力墙较多而在另外一个方向剪力墙稀少的剪力墙结构体系^[1]。一向少墙结构在少墙方向上的受力特点与常规的剪力墙结构存在差异，表现为剪力墙弯曲型变形和框架结构剪切型变形的混合形式。

以某极端案例为例，结构剪力墙均为Y向一字布置，墙厚400mm，共5层，如下图所示。

图1 结构模型

在水平荷载作用下，结构X向为剪切型变形，Y向为弯曲型变形，如下图所示。

图2 结构X向和Y向变形图

在进行一向少墙结构分析和设计中，需要考虑剪力墙面外刚度并对面外和相关端柱的抗震承载力进行计算^[2]。

02

分层壳单元

分层壳单元可用于模拟剪力墙的面外非线性特性。

分层壳单元基于复合材料力学原理，将一个壳单元划分成很多层，各层可以根据需要设置不同的厚度和材料性质^[3]，例如，混凝土、钢筋、钢板等。在有限元计算时，首先得到壳单元中心层的应变和曲率，然后根据各材料层之间满足平截面假定，由中心层应变和曲率得到各层的应变，进而由各层的材料本构方程得到各层相应的应力，并积分得到整个壳单元的内力。分层壳单元考虑了面内弯曲、面内剪切、面外弯曲之间的耦合作用，比较全面地反映了壳体构件的空间力学性能，如下图所示。

图3分层壳模型

2.1 加载方式

以第一节案例为例，在结构X向进行侧向加载，分析结构变形和损伤情况。

图4 X向加载示意图

2.2 剪力墙损伤

剪力墙损伤情况如下图所示，结果表明在侧向荷载作用下剪力墙底部和顶部钢筋和混凝土发生损伤或屈服。

图5 剪力墙面外损伤情况

剪力墙底面、顶面混凝土和钢筋应变变化曲线如下图所示，混凝土和钢筋层底面受压、顶面受拉，满足平截面假定。随着荷载增大，混凝土底面发生受压损伤、顶面发生受拉损伤，钢筋出现屈服。底面混凝土和顶面钢筋应力应变曲线如下所示。

图6 剪力墙混凝土和钢筋应变

*说明：εcy_b底面混凝土应变、εcy_t顶面混凝土应变、εry_b底面钢筋应变、εry_t顶面钢筋应变

混凝土底面层压缩非线性本构和钢筋顶面层拉伸本构如下所示。

图7 混凝土等效应力和等效应变曲线

图8 钢筋应力应变曲线

2.3 楼板损伤

楼板模型同样采用分层壳单元，计算原理与剪力墙构件相同。同时，由于楼板与框架梁共同组成T型水平构件体系，如下图所示，楼板作为楼盖体系的上翼缘参与整体作用。楼板混凝土层受压损伤和钢筋层应变如下图所示。

图9 T型水平构件体系

图10 楼板损伤

03

案例分析

某高层剪力墙结构，共34层，结构高度106m。由于建筑功能要求，结构X向剪力墙布置较少，形成一向少墙的剪力墙结构。结构标准层布置如下图所示。

图11 结构标准层平面布置图

进行X向静力推覆分析，结构标准层剪力墙损伤情况如下图所示。结果表明结构Y向剪力墙面外发生明显损伤，其中一字剪力墙面外损伤严重。

图12 剪力墙混凝土受压损伤

图13 剪力墙钢筋应变

04

结论

1） 分层壳单元可模拟剪力墙、楼板等二维构件面内弯曲、面内剪切、面外弯曲之间的耦合作用，可以比较全面地反映了壳体构件的空间力学性能；

2） 一向少墙结构在少墙方向上的受力特点与常规的剪力墙结构存在差异，需要考虑剪力墙面外承载力和损伤情况；

3） SAUSAGE软件可对分层壳单元混凝土、钢筋、钢材的分层情况进行设定，模拟剪力墙和楼板的面外损伤情况。

参考文献

[1] 魏琏,王森,曾庆立,等.一向少墙的高层钢筋混凝土结构的结构体系研究[J].建筑结构,2017,47 (1):23-27.[2] 魏琏,王森,曾庆立.一向少墙高层剪力墙结构抗震设计计算方法[J].建筑结构,2020,50(7):1-8.

[3] 林旭川,陆新征,缪志伟,等.基于分层壳单元的RC核心筒结构有限元分析和工程应用[J].土木工程学报,2009,42(3):49-54