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非线性剪力墙分层壳模型
创建者：曾亚，编辑者：曾亚，最近更新：2016/08/29 18:28:13
问题描述：
对于考虑非线性剪力墙的建模，通常采用分层壳单元进行模拟。请问，具体该如何设置分层壳中相关参数，以合理地考虑剪力墙的弹塑性行为？
解答：
分层壳单元基于复合材料力学原理，将一个壳单元分成多层，每层根据需要设置不同的厚度和材料。分层壳单元考虑了面内弯曲-面内剪切-面内弯曲之间的耦合作用，能比较全面地反映壳体结构的空间力学性能，在分析剪力墙结构时具有很高的精度和实用性。
钢筋混凝土剪力墙通常看作由若干混凝土层和钢筋层构成。具体工程模型中，需根据剪力墙厚度、配筋量、钢筋分布形式、材料等级的不同，可定义不同的分层壳单元，来模拟不同位置的墙肢或连梁的非线性行为。
图1 剪力墙分层壳模型
下面以具体案例进行说明，例如：定义450mm厚的剪力墙，保护层厚度75mm，两层竖直和水平钢筋，竖向钢筋层提供2%配筋率，水平钢筋层提供1%配筋率。
按照分层壳理论定义剪力墙模型，最直观的情况是将剪力墙分为5层，包括：混凝土层，竖向、水平钢筋各两层，如下图2所示。
层名1为混凝土层，单元类型采用壳（shell），三个材料分量均考虑为非线性（nonlinear），积分点数设为最大值5以尽可能准确地捕捉其屈服后行为。
层名2、3为竖向钢筋层，层名4、5为水平钢筋层。根据配筋率换算可得到钢筋层等效厚度。通过指定材料角来描述钢筋的分布方向，材料1轴与壳单元1轴方向相同（壳单元局部坐标轴默认情况下，1轴为水平方向，2轴为竖直方向），故材料角“0度”代表水平钢筋，材料角“90度”代表竖向钢筋（即与壳局部2轴方向对齐）。钢筋材料S11总是非线性；S12设置为非线性的，代表允许混凝土开裂后钢筋承受剪力，即“销钉”作用，用户需根据工程具体情况判断该方式模拟是否适合。
图2 剪力墙分层壳模型
图2定义的5层剪力墙分层壳似乎很符合“实际”情况，但却不是最实用的分析模型。该模型呈现出多种破坏机制，可能掩盖掉基于性能设计所需的工程信息。对于实际分析而言，需要更简单清晰的模型来满足工程目标，使得分析更快，更容易对结果进行表述。
对于较高的剪力墙，其受力特点类似于柱，以压弯变形为主。可以忽略横向钢筋的线性行为，因此模型中可不考虑水平钢筋层。竖向钢筋层，单元类型设为膜，S12设为无效，这是更为保守方法。对于混凝土层，将其分解为面内和面外行为，即把混凝土单元类型“壳”分解为“膜”（membrane）和“板”（plate）的组合。对于板行为（即平面外行为），假设为线性属性，并进行厚度折减以考虑开裂的影响（本例中取总厚度0.8倍折减），积分点设为2。经过上述的简化处理，剪力墙的分层壳“实用”模型如下图3所示。
图3 简化模型
程序为用户提供很大的自由度去灵活建立分层壳截面，表示不同的线性和非线性行为，建议用户根据面对象的实际受力状态合理地设置分层壳参数，在满足工程要求的前提下，尽可能减少非线性自由度数量，平衡计算精度与计算效率之间的关系。
关于分层壳参数更多详细说明，可见《CSI分析参考手册》第10章分层壳相关内容。