剪力墻抗震性能模擬的案例
基于ABAQUS的剪力墻抗震性能模擬
仿真計算的結果分析：剪力墻下端混凝土兩側發(fā)生膨脹變形，鋼筋屈服，混凝土出現(xiàn)裂縫，且主要出現(xiàn)在墻角兩側，隨著加載的位移增大，混凝土的裂縫逐漸發(fā)展到上端，最后墻角混凝土發(fā)生損壞。
【JY】ETABS中剪力墻的彈塑性行為模擬和評價
剪力墻根據(jù)其受力特點，可以分為由彎曲行為控制的細長墻，和由剪切行為控制的短方墻。根據(jù)美標ASCE 41的建議，若墻高度與其長度之比大于3可視為細長墻（slender），該比值小于1.5可視為短方墻（short and squar）。高層結構中的剪力墻通常屬于細長墻，以壓彎行為為主，常用纖維截面來模擬其彈塑性行為的發(fā)展。
此外，對于剪力墻的抗震性能評價，ETABS提供了一系列性能評價指標，從微觀的纖維應變、構件局部變形，到宏觀的結構整體變形等等。同時，ETABS通過精巧的性能評價工具實現(xiàn)了海量性能指標數(shù)據(jù)的組織、篩分、呈現(xiàn)。本文將介紹相關的功能，并通過一個剪力墻案例展現(xiàn)其應用價值。
1、剪力墻的彈塑性單元
墻體彈塑性行為的發(fā)展與其受力方式密切相關，不同的單元類型適用于不同的受力狀態(tài)。ETABS提供了兩種彈塑性單元來模擬墻體：墻鉸與分層殼。我們應區(qū)分情況選擇合適的方式來模擬墻體彈塑性行為。
1.1 墻鉸
墻鉸，顧名思義，是墻體上布置的塑性鉸。墻鉸的實質是由混凝土纖維和鋼筋纖維組成的纖維截面，用來模擬墻體的壓彎行為的塑性發(fā)展過程。在ETABS中，墻體的鋼筋來源有三個選項：來自設計結果、給定配筋率、自定義布筋，如圖1-1所示。
前兩種方式很容易理解，根據(jù)配筋面積或者配筋率將鋼筋均勻分布于墻肢截面中，鋼筋等級來自于剪力墻設計首選項中設定的鋼筋材料。若選擇第三種方式，則可以自定義墻肢的邊緣構件范圍，分別布置邊緣區(qū)和非邊緣區(qū)的鋼筋，對話框如圖1-2所示。完成墻體鋼筋指定后，則可指定自動墻鉸，生成相應的纖維截面，如圖1-3所示。完成計算分析后，我們可以查詢墻鉸的彎矩-轉角曲線、纖維的應變等結果。
墻鉸模擬墻體的壓彎行為，墻體的剪切行為仍是彈性的，取決于材料的剪切模量，壓彎和剪切行為沒有耦合。
展開 H型鋼柱薄壁鋼板剪力墻結構的往復試驗模擬（H型鋼，薄壁結構，鋼板剪力墻，滯回曲線，有限元模擬）
H型鋼柱薄壁鋼板剪力墻結構的往復試驗模擬（H型鋼，薄壁結構，鋼板剪力墻，滯回曲線，有限元模擬）
剪力墻擬靜力試驗數(shù)值模擬（ABAQUS、OpenSees）
模擬結果如下：
1.4、三種模型總結
（1）纖維模型由于本身不考慮剪切，所以適用于剪跨比較大的剪力墻，如果想模擬小剪跨比的剪力墻，可以采用柔度法加剪切彈簧（注意：剛度法加剪切彈簧是沒有用的）。
（2）多垂直桿和分層殼模型，既可以較好的模擬大剪跨比的剪力墻，也可以較好地模擬小剪跨比的剪力墻。
OpenSees剪力墻3種建模方法的視頻教程可在下方鏈接觀看：
https://www.yqgqt.org.cn/college/video/c14572
學會了OpenSees鋼筋混凝土剪力墻的建模方法，帶耗能鋼筋、預應力筋或者螺栓鋼板的剪力墻、裝配式剪力墻也就簡單了，在此基礎上添加單元或材料考慮即可。
2、ABAQUS軟件
在ABAQUS中，模擬剪力墻的方法主要有：
（1）實體單元；（2）殼單元；（3）二維MCFT模型（方自虎老師開發(fā)）
由于大家最常用的是實體單元，所以本文重點講述實體單元建模中的幾個要點問題。具體的建模過程不細講了，如果你剛開始學ABAQUS，推薦你2本書，里面有擬靜力試驗模擬的詳細建模過程，看完你就會了。
①徐亞豐《高等土木工程結構（ABAQUS模擬實驗/實驗室模型實驗）》
②王玉鐲 《ABAQUS結構工程分析及實例詳解》
2.1、混凝土本構及損傷因子的計算（CDP模型）
混凝土損傷損傷塑性模型（CDP）包括鋼筋和混凝土的本構及損傷因子的計算。
（1）混凝土本構的計算方法有很多，常用的有：①10規(guī)范；②02規(guī)范（過鎮(zhèn)海模型） ；③丁發(fā)興模型等。從規(guī)范或者文獻中，找到相應的公式，制作一個Excel表格，或者用Matlab寫一個代碼，不是很難的事情。（2）鋼筋本構可選用雙折線或者三折線模型，在ABAQUS中，需要輸入真實應力和真實應變，所謂真實應力即考慮了鋼筋拉斷時截面面積的縮小。試驗測得的數(shù)據(jù)為名義應力和名義應變。
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圖6 漿錨連接節(jié)點Abaqus模擬結果與試驗結果對標
3.漿錨連接裝配式剪力墻Abaqus滯回性能分析結果
3.1滯回曲線與骨架曲線對比
加載初期試件處于彈性受力狀態(tài)，加載與卸載位移曲線基本重合，荷載加載到195kN拼縫處部分混凝土出現(xiàn)損傷，逐漸形成水平貫通；當荷載達到348kN時，邊緣構件拼縫處豎直分布鋼筋屈服，試件進入屈服階段，如圖7。
圖7 鋼筋應力云圖
模擬與試驗的滯回曲線如圖8，對比滯回曲線與文獻[1]圖8(b)發(fā)現(xiàn)，最大位移與峰值力幾乎一致，滯回環(huán)相對飽滿，但模擬中加載后期各階段的峰值力略低，這點與試驗結果不太一致.但這樣的問題，在其他文章的模擬與試驗的對比中總是會出現(xiàn)的，其主要原因是試驗中鋼筋與混凝土間的粘結-滑移效應在模擬中采用加快鋼筋材料本構里峰值應力衰減速率來等效，這種等效一定程度上造成模擬得到的滯回曲線其后期峰值力低于試驗值。
模擬與試驗的骨架曲線如圖9，對比骨架曲線與文獻[1]圖8(b)發(fā)現(xiàn)模擬與試驗骨架曲線的走勢基本一致。
3.2承載力對比
對比模擬與試驗的開裂水平力Fcr、屈服水平力Fy和峰值水平力Fp，見表4.可以看出，模擬得到Fcr略高于試驗結果，F(xiàn)y與試驗結果接近，F(xiàn)p略低于試驗結果。“彈簧-梁單元”模型在裝配式漿錨連接結構承載力計算上精度很好，幾乎與試驗接近。
表4 模擬與試驗承載力對比
4.結論
（1）模擬中使用的“彈簧-梁單元”模型彈簧剛度偏大，在以后的計算中需要適當降低剛度；
（2）模擬結果與試驗的開裂水平力、屈服水平力和峰值水平力的數(shù)值幾乎相同，Abaqus計算裝配式漿錨連接結構承載力方面精度很好。
參考文獻
[1]陳云剛,劉家斌,郭正興,等.裝配式剪力墻水平拼縫鋼筋漿錨搭接抗震性能試驗[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2013,45(6): 83-89．
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基于HyperMesh網格劃分的Abaqus滯回問題求解—漿錨連接裝配式剪力墻滯回模擬
此外，此有限元模型里還包含用于模擬漿錨連接的桿單元，包含用于模擬上下兩片剪力墻間填充彈性膠粘劑的塊單元，如果讀者的模型也使用到這兩者單元，聯(lián)系我索要相應材料參數(shù)，其按添加方法與上一致，這里不一一講述。
（4）鋼筋混凝土試件，其中鋼筋往往應用桿單元模擬，所以需要修改單元截面大小為鋼筋橫截面的實際面積，步驟見下圖。
（5）關于彈簧單元，在Abaqus需要設定剛度和阻尼，步驟見下圖。若試件中無使用彈簧單元可以忽略這步。
（6）切換至Step模塊，完成關于時間步設置。先設置Step-1時間步，步驟見下圖。第6步Time period代表計算的時間，第7步選擇ON代表打開大變形控制，第10步設定計算最大步數(shù)，第11步Initial代表設定的初始計算步長，Minimun代表設定的最小計算步長，Maximun代表設定的最大計算步長。
然后設置Step-2時間步，其步驟與設置Step-1一樣，設置參數(shù)見下圖。
提示：因為模型體量太大計算時間過長，軟件有時會中途停算退出等，所以最好在Step-2中設定重啟動輸出（非必須），方便軟件重啟后繼承之前結果計算。
（7）切換至Interaction模塊，耦合I部分頂梁頂面節(jié)點，并嵌固鋼筋到混凝土里。首先，在要耦合到的位置創(chuàng)建幾何點，步驟見下圖。
然后，將I部分頂面節(jié)點耦合到RP-1位置，步驟見下圖。
最后，嵌固鋼筋到混凝土里，步驟見下圖。
（8）切換至Load模塊，給剪力墻施加力、位移與約束。首先，在幾何點創(chuàng)建豎直軸向壓力，步驟見下圖。
然后，施加剪力墻橫向、平面內位移荷載，步驟見下圖。
再后，限制剪力墻平面外位移，步驟見下圖。第9步限制坐標Y軸移動，第10步限制繞坐標X軸轉動，第11步限制繞坐標Z軸轉動。
最后，約束剪力墻III部分底梁位移，步驟見下圖。
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【經典案例欣賞12】榫卯連接預制裝配鋼筋混凝土剪力墻滯回和推覆模擬
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