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简介（作者编辑）：_型钢混凝土剪力墙边框柱-腹板组合分析模型研究.pdf
摘要（系统识别）：
网络出版时间：2017-09-3010：56：50
网络出版地址：http:/ms.cnki.net/kcms/detai/11.1931.TU.20170930.1056.007.html
第38卷第11期2017年11月
建筑结构学报Journal of Building Structures
Vol.38 No.11 Nov.2017
007
文章编号：1000-6869(2017)11-0055-09
D0I:10.14006/j-jgh.2017.11.007
型钢混凝土剪力墙边框柱-腹板组合分析模型研究
周珉2，黄宗明，高永，傅剑平，杨溥
(1.重庆大学土木工程学院，重庆400045：2.陆军勤务学院军事设施系，重庆401311)
摘要：通过对型钢混凝土(SRC)剪力墙的非线性有限元分析方法的研究，对目前存在的主要问题及其产生的原因进行了分
析。根据SRC剪力墙的受力特，点，综合考虑几何模型、材料本构、网格划分、极限状态确定等关键问题，提出了边框柱-腹板
组合分析模型，并基于通用有限元程序ABAQUS进行二次开发，将能够较好反映受剪钢筋混凝土腹板基本受力性能的转角
软化桁架模型(RA-STM)嵌入其材料库，应用于SRC剪力墙非线性有限元分析。通过与10片剪跨比为0.56~2.7、轴压比
为0.1~0.342的SC剪力墙拟静力试验结果的对比分析，表明所提出的边框柱-腹板组合模型能够比较准确地计算SRC
剪力墙的极限承载能力和极限位移等，比较准确地模拟墙体的荷载位移全过程曲线，准确地反映墙体的破坏过程和破坏
模式。
关键词：型钢混凝土剪力墙；边框柱腹板组合分析模型；有限元分析；受力性能
中图分类号：TU398.2TU311.41文献标志码：A
Column-web combined model for steel-reinforced
concrete shear wall
ZHOU Min'2,HUANG Zongming',GAO Yong',FU Jianping',YANG Pu
(1.School of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China;
2.Department of Military Facility,Army Logistic University of PLA,Chongqing 401311,China)
Abstract:The deficiencies and related reasons of existing finite element analysis (FEA)model for steel-reinforced
concrete (SRC)shear wall was investigated.According to the stress characteristics of SRC shear wall,the geometrical
model,material constitutive relation,mesh generation and the limit state criteria were researched.Based on the
rotating angle softened truss model(RA-STM)which can reflect mechanical behavior of shear reinforced concrete web,
a material user subroutine was developed based on the ABAQUS,and a column-web combined model was developed to
simulate the SRC shear wall.Ten SRC shear walls with shear-span ratios ranging from 0.56 to 2.7,and axial
compression ratios ranging from 0.1 to 0.342 are compared to verify the column-web combined model.The simulation
results for the peak load and ultimate displacement agree well with the test results.The whole load-displacement curve
and the failure mode of the SRC shear wall can be accurately simulated.
Keywords:SRC shear wall:column-web combined model:finite element analysis:mechanical behavior
基金项目：国家自然科学基金项目(51178486)。
作者简介：周珉(1977一
),男，山东乐陵人，博士研究生，讲师。E-mail:zhoumin_hg(@l63.com
通信作者：黄宗明(1957一)，男，重庆巫山人，工学博士，教授。E-mail:zmhuang(@cqu.edu.cn
收稿日期：2017年5月
55
1.1
三维分析方法
0
引言
三维分析方法一般是直接利用通用有限元分析
软件，对墙体的各组成部分，如混凝土、型钢、边框柱
非线性有限元数值模拟作为结构试验研究的补
纵筋、箍筋、墙体分布筋等分别建模，采用软件自带
充手段，在结构或构件的抗震性能研究中得到广泛
的材料本构关系，不考虑不同材料之间的黏结滑移。
应用。在普通钢筋混凝土剪力墙中内置竖向型钢的
这种三维分析方法尽管非常精细，却将钢筋混凝土
型钢混凝土(SRC)剪力墙，施工简便，受力性能良好，
中钢筋和混凝土分离为两种材料，不同材料之间通
在实际工程中得到广泛应用。SRC剪力墙试件承载
过共节点或埋置的方式相连接，这很难反映钢筋混
力高，接近足尺的试验研究有限，因此，研究其抗震
凝土材料在剪压等复杂受力情况下的受力性能，混
性能时，有必要进行有限元数值模拟分析。
凝土材料本构关系成为影响模拟结果最重要的因
与普通钢筋混凝土剪力墙和SRC梁、柱等构件
素。混凝土本构模型按是否考虑开裂后的斜压传力
相比，SRC剪力墙在竖向和水平荷载共同作用下的
机制可分为两类：一类考虑了混凝土在拉-压应力状
受力状态更加复杂，其有限元模拟分析方法的研究
态下开裂后的斜压传力机制，能近似模拟开裂混凝
还很不成熟。文献[1]中采用整体二维模型，通过有
土的斜压传力行为，例如ANSYS软件中SOLID65单
限元程序ABAQUS二次开发，将修正压力场模型应
元的混凝土弹塑性本构模型、MARC软件中的混凝土
用于钢混凝土组合结构的非线性分析，与两片内嵌
本构模型、ABAQUS软件中的smeared crack concrete
钢板-混凝土剪力墙试验进行对比，结果表明，该分析
(SCC)model等：另一类未提供混凝土在拉-压应力状
方法对试件的极限承载能力及荷载-位移曲线的初始
态下开裂后的斜压传力机制，混凝土开裂后随即进
刚度模拟较好，也能较好地反映墙体的破坏形态。
入塑性流动，目前常用的只有ABAQUS软件中的
而其他研究则直接利用已有的通用软件对其进行的
concrete damaged plasticity(CDP)model一种模型。
少量试验进行对比分析，如文献[2-4]中分别利用
由于同类模型的理论框架、基本原理和存在的
ANSYS和ABAQUS,采用软件自带的混凝土本构关
问题都比较相似，考虑到ABAQUS软件在前后处理、
系，建立三维模型对SRC剪力墙的试验结果进行模
求解能力方面的优势，同时也为了统一分析平台、简
拟验证；文献[5]中采用二维有限元分析软件
化建模工作，文中从上述两类模型中分别选取了
ATENA2D对5片剪跨比为3的SRC高墙的试验结
CDP模型和SCC模型作为代表，应用ABAQUS大型
果进行数值模拟等。这些分析大多局限于极限承载
通用软件对SRC剪力墙拟静力试验典型试件进行三
能力或荷载-位移曲线上升段的对比，很少有极限位
维非线性分析，对模拟效果和存在问题进行分析。
移的对比以及进行荷载位移曲线全过程和破坏模式
用于分析的SRC剪力墙试件为SRCW7618
的分析和对比，剪力墙的剪跨比范围也有限。因此，
SRCW273-2和SRCW2-1b8,对应的剪跨比分别为
从所收集到的关于SRC剪力墙的研究中，绝大部分
1.0、1.85和2.7，分别对应着矮墙、中高墙和高墙，破
是依靠试验方法进行研究，而采用通用有限元软件
坏模式分别为剪切破坏、弯剪破坏以及弯曲破坏。
进行模拟分析的不仅少，而且效果不够理想，这就使
图1是有限元分析结果与试验结果的水平荷载-
得研究工作的系统性和结论依据的充分性受到很大
位移曲线的对比。需要说明的是，CDP模型在弹塑
局限。
性模型的基础上引入各向同性损伤特性，该模型
为此，根据SRC剪力墙的受力特点，综合考虑其
能较为准确地模拟混凝土单轴受拉和受压、多轴受
几何模型、材料本构、网格划分、极限状态确定等关
压等受力情况2，具有良好的收敛性。但由于
键问题，对其进行有限元分析。分析中不但模拟墙
CDP模型在拉-压应力状态下达到屈服条件后随即进
体的极限承载能力和荷载-位移曲线上升段，而且模
入塑性流动状态，不能反映受剪钢筋混凝土(RC)构
拟墙体的极限位移和荷载-位移曲线的全过程，同时
件（如SRC剪力墙的腹板）开裂后的斜压传力能力，
对SRC剪力墙的破坏过程和破坏模式进行分析。
从而导致模型对以剪切变形为主试件SRCW76-6
的峰值荷载的模拟结果偏低，荷载-位移曲线偏短，极
1
现有分析方法存在的主要问题
限位移偏小，见图1a;对于以弯曲变形为主的SRC剪
力墙试件SRCW2-1b,由于RC腹板对墙体受力性能
目前，用于SRC剪力墙非线性分析的有限元方法
影响较小，CDP模型又能较好地模拟处于单轴受拉、
大体可以分为三维分析方法和二维分析方法两大类。
多轴受压状态下边框柱的受力性能，因此CDP模型
56
摘要（系统识别）：
网络出版时间：2017-09-3010：56：50
网络出版地址：http:/ms.cnki.net/kcms/detai/11.1931.TU.20170930.1056.007.html
第38卷第11期2017年11月
建筑结构学报Journal of Building Structures
Vol.38 No.11 Nov.2017
007
文章编号：1000-6869(2017)11-0055-09
D0I:10.14006/j-jgh.2017.11.007
型钢混凝土剪力墙边框柱-腹板组合分析模型研究
周珉2，黄宗明，高永，傅剑平，杨溥
(1.重庆大学土木工程学院，重庆400045：2.陆军勤务学院军事设施系，重庆401311)
摘要：通过对型钢混凝土(SRC)剪力墙的非线性有限元分析方法的研究，对目前存在的主要问题及其产生的原因进行了分
析。根据SRC剪力墙的受力特，点，综合考虑几何模型、材料本构、网格划分、极限状态确定等关键问题，提出了边框柱-腹板
组合分析模型，并基于通用有限元程序ABAQUS进行二次开发，将能够较好反映受剪钢筋混凝土腹板基本受力性能的转角
软化桁架模型(RA-STM)嵌入其材料库，应用于SRC剪力墙非线性有限元分析。通过与10片剪跨比为0.56~2.7、轴压比
为0.1~0.342的SC剪力墙拟静力试验结果的对比分析，表明所提出的边框柱-腹板组合模型能够比较准确地计算SRC
剪力墙的极限承载能力和极限位移等，比较准确地模拟墙体的荷载位移全过程曲线，准确地反映墙体的破坏过程和破坏
模式。
关键词：型钢混凝土剪力墙；边框柱腹板组合分析模型；有限元分析；受力性能
中图分类号：TU398.2TU311.41文献标志码：A
Column-web combined model for steel-reinforced
concrete shear wall
ZHOU Min'2,HUANG Zongming',GAO Yong',FU Jianping',YANG Pu
(1.School of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China;
2.Department of Military Facility,Army Logistic University of PLA,Chongqing 401311,China)
Abstract:The deficiencies and related reasons of existing finite element analysis (FEA)model for steel-reinforced
concrete (SRC)shear wall was investigated.According to the stress characteristics of SRC shear wall,the geometrical
model,material constitutive relation,mesh generation and the limit state criteria were researched.Based on the
rotating angle softened truss model(RA-STM)which can reflect mechanical behavior of shear reinforced concrete web,
a material user subroutine was developed based on the ABAQUS,and a column-web combined model was developed to
simulate the SRC shear wall.Ten SRC shear walls with shear-span ratios ranging from 0.56 to 2.7,and axial
compression ratios ranging from 0.1 to 0.342 are compared to verify the column-web combined model.The simulation
results for the peak load and ultimate displacement agree well with the test results.The whole load-displacement curve
and the failure mode of the SRC shear wall can be accurately simulated.
Keywords:SRC shear wall:column-web combined model:finite element analysis:mechanical behavior
基金项目：国家自然科学基金项目(51178486)。
作者简介：周珉(1977一
),男，山东乐陵人，博士研究生，讲师。E-mail:zhoumin_hg(@l63.com
通信作者：黄宗明(1957一)，男，重庆巫山人，工学博士，教授。E-mail:zmhuang(@cqu.edu.cn
收稿日期：2017年5月
55
1.1
三维分析方法
0
引言
三维分析方法一般是直接利用通用有限元分析
软件，对墙体的各组成部分，如混凝土、型钢、边框柱
非线性有限元数值模拟作为结构试验研究的补
纵筋、箍筋、墙体分布筋等分别建模，采用软件自带
充手段，在结构或构件的抗震性能研究中得到广泛
的材料本构关系，不考虑不同材料之间的黏结滑移。
应用。在普通钢筋混凝土剪力墙中内置竖向型钢的
这种三维分析方法尽管非常精细，却将钢筋混凝土
型钢混凝土(SRC)剪力墙，施工简便，受力性能良好，
中钢筋和混凝土分离为两种材料，不同材料之间通
在实际工程中得到广泛应用。SRC剪力墙试件承载
过共节点或埋置的方式相连接，这很难反映钢筋混
力高，接近足尺的试验研究有限，因此，研究其抗震
凝土材料在剪压等复杂受力情况下的受力性能，混
性能时，有必要进行有限元数值模拟分析。
凝土材料本构关系成为影响模拟结果最重要的因
与普通钢筋混凝土剪力墙和SRC梁、柱等构件
素。混凝土本构模型按是否考虑开裂后的斜压传力
相比，SRC剪力墙在竖向和水平荷载共同作用下的
机制可分为两类：一类考虑了混凝土在拉-压应力状
受力状态更加复杂，其有限元模拟分析方法的研究
态下开裂后的斜压传力机制，能近似模拟开裂混凝
还很不成熟。文献[1]中采用整体二维模型，通过有
土的斜压传力行为，例如ANSYS软件中SOLID65单
限元程序ABAQUS二次开发，将修正压力场模型应
元的混凝土弹塑性本构模型、MARC软件中的混凝土
用于钢混凝土组合结构的非线性分析，与两片内嵌
本构模型、ABAQUS软件中的smeared crack concrete
钢板-混凝土剪力墙试验进行对比，结果表明，该分析
(SCC)model等：另一类未提供混凝土在拉-压应力状
方法对试件的极限承载能力及荷载-位移曲线的初始
态下开裂后的斜压传力机制，混凝土开裂后随即进
刚度模拟较好，也能较好地反映墙体的破坏形态。
入塑性流动，目前常用的只有ABAQUS软件中的
而其他研究则直接利用已有的通用软件对其进行的
concrete damaged plasticity(CDP)model一种模型。
少量试验进行对比分析，如文献[2-4]中分别利用
由于同类模型的理论框架、基本原理和存在的
ANSYS和ABAQUS,采用软件自带的混凝土本构关
问题都比较相似，考虑到ABAQUS软件在前后处理、
系，建立三维模型对SRC剪力墙的试验结果进行模
求解能力方面的优势，同时也为了统一分析平台、简
拟验证；文献[5]中采用二维有限元分析软件
化建模工作，文中从上述两类模型中分别选取了
ATENA2D对5片剪跨比为3的SRC高墙的试验结
CDP模型和SCC模型作为代表，应用ABAQUS大型
果进行数值模拟等。这些分析大多局限于极限承载
通用软件对SRC剪力墙拟静力试验典型试件进行三
能力或荷载-位移曲线上升段的对比，很少有极限位
维非线性分析，对模拟效果和存在问题进行分析。
移的对比以及进行荷载位移曲线全过程和破坏模式
用于分析的SRC剪力墙试件为SRCW7618
的分析和对比，剪力墙的剪跨比范围也有限。因此，
SRCW273-2和SRCW2-1b8,对应的剪跨比分别为
从所收集到的关于SRC剪力墙的研究中，绝大部分
1.0、1.85和2.7，分别对应着矮墙、中高墙和高墙，破
是依靠试验方法进行研究，而采用通用有限元软件
坏模式分别为剪切破坏、弯剪破坏以及弯曲破坏。
进行模拟分析的不仅少，而且效果不够理想，这就使
图1是有限元分析结果与试验结果的水平荷载-
得研究工作的系统性和结论依据的充分性受到很大
位移曲线的对比。需要说明的是，CDP模型在弹塑
局限。
性模型的基础上引入各向同性损伤特性，该模型
为此，根据SRC剪力墙的受力特点，综合考虑其
能较为准确地模拟混凝土单轴受拉和受压、多轴受
几何模型、材料本构、网格划分、极限状态确定等关
压等受力情况2，具有良好的收敛性。但由于
键问题，对其进行有限元分析。分析中不但模拟墙
CDP模型在拉-压应力状态下达到屈服条件后随即进
体的极限承载能力和荷载-位移曲线上升段，而且模
入塑性流动状态，不能反映受剪钢筋混凝土(RC)构
拟墙体的极限位移和荷载-位移曲线的全过程，同时
件（如SRC剪力墙的腹板）开裂后的斜压传力能力，
对SRC剪力墙的破坏过程和破坏模式进行分析。
从而导致模型对以剪切变形为主试件SRCW76-6
的峰值荷载的模拟结果偏低，荷载-位移曲线偏短，极
1
现有分析方法存在的主要问题
限位移偏小，见图1a;对于以弯曲变形为主的SRC剪
力墙试件SRCW2-1b,由于RC腹板对墙体受力性能
目前，用于SRC剪力墙非线性分析的有限元方法
影响较小，CDP模型又能较好地模拟处于单轴受拉、
大体可以分为三维分析方法和二维分析方法两大类。
多轴受压状态下边框柱的受力性能，因此CDP模型
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