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“闲谈剪力墙宏观单元SFI-MVLEM”
OpenSees中典型的宏观剪力墙单元包括有：MVLEM、SFI-MVELM及分层壳单元。推文【OpenSees】浅析剪力墙宏观单元：MVLEM 向大家简单阐述了MVLEM单元，本周推文将浅析SFI-MVELM单元。
基本原理
考虑弯剪耦合的多弹簧单元（SFI-MVLEM）由Kolozvari提出，该模型包括3个主要假定，分别为：平截面假定；截面内剪应变均匀分布；水平应力总和为零。SFI-MVLEM单元把钢筋混凝土平面材料引入到宏观纤维模型中（如图1所示），更好的模拟了弯矩和剪力共同作用时剪力墙的受力特性。
图1 SFI-MVELM单元
SFI-MVLEM单元采用修正固定支撑角模型（FSAM），该模型可考虑骨料的剪切互锁效应和纵筋的销栓作用，从而保证该单元能够更准确的模拟剪力墙复杂的非线性行为。
笔者为大家准备一份详尽的关于SFI-MVLEM单元的研究报告，报告中对SFI-MVLEM单元的具体算法均有详细的阐述。若想对MVLEM单元有更深入的了解，可点击“阅读原文”下载查看。
图2 SFI-MVELM单元研究报告
数值模拟
OpenSees中的SFI-MVLEM单元为二维两节点单元，无法在三维模型中使用。除此之外，单元中混凝土纤维必须采用ConcreteCM材料方可顺利进行计算。
本推文收集了国内外3个不同剪跨比的剪力墙构件，其构件参数及配筋情况分别如表1及表2所示。
SFI-MVLEM单元的模拟结果如图3所示。由图3可知，SFI-MVLEM既可准确模拟大剪跨比（弯控）剪力墙构件的力学性能，又能较好模拟小剪跨比剪力墙的承载力及耗能能力。
图3 SFI-MVELM单元模拟结果
单元参数敏感性分析
SFI-MVLEM单元采用修正固定支撑角模型（FSAM），因此具有两个特有参数：骨料剪切互锁系数μ、纵筋销栓作用系数α。
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骨料剪切互锁系数μ
SFI-MVLEM采用修正固定支撑角模型（FSAM），该模型采用简单的摩擦本构来描述骨料的剪切互锁（咬合）效应，该本构模型的初始部分为线性区段，取0.4Ec（0.4倍混凝土弹性模量）来代表混凝土的剪切模量Gc。
当裂缝张开（垂直于裂缝方向的正应力为拉应力）时剪应力为0；当裂缝闭合（垂直于裂缝方向的正应力为压应力）时，剪应力存在且不大于系数μ与正应力的乘积，该模型剪应力包络曲线如图4所示。由图4可知，骨料剪切互锁模型为理想弹塑性模型。
图4 骨料剪切互锁模型
SFI-MVELM中的骨料剪切互锁系数μ取值范围为0~1.5，Orakcal根据模拟结果认为μ取值为0.2时可保证较好的模拟效果。分别取μ为0、0.1、0.2，探究骨料剪切互锁系数μ对数值分析结果的影响。不同剪切互锁系数下构件的力位移曲线及端部单元的剪力-剪切变形分别如图5所示。
图5 不同互锁系数下的力位移曲线和单元剪切力学性能
对于构件力位移曲线：由于骨料剪切互锁系数μ控制着混凝土的抗剪能力，其抗剪能力随着系数μ的增大而增大，因此构件承载力随着骨料剪切互锁系数μ的增大而增大。
对于单元剪切力学性能：单元的剪切变形量随着骨料剪切互锁系数μ的增大而减小。由于混凝土骨料剪切互锁模型的影响，单元的捏缩效应随着骨料剪切互锁系数μ的增大而减弱。
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销栓作用系数α
SFI-MVLEM采用了弹性模量为αEs（α倍钢筋弹性模量）的线弹性钢筋销栓模型，以此来考虑纵向钢筋对构件抗剪能力的贡献。该模型如图6所示。
图6 钢筋销拴作用系数
SFI-MVELM中的销栓作用系数α 取值范围为0~0.05。本小节分别取为0、0.01、0.02，探究销栓作用系数对数值分析结果的影响。不同销栓作用系数下构件的力位移曲线及端部单元的剪力-剪切变形分别如图7所示。
图7 不同销栓作用系数下的力位移曲线和单元剪切力学性能
对于构件力位移曲线：由于销栓作用系数α控制着纵筋的抗剪刚度，其抗剪刚度随着系数的增大而增大，因此在相同的水平位移下，构件承载力随着销栓作用系数的增大而增大。
对于单元剪切力学性能：单元的剪切变形量随着销栓作用系数的增大而减小。由于纵筋销栓作用模型的影响，单元的捏缩效应随着销栓作用系数的增大而减弱。
点击“阅读原文”可下载SFI-MVLEM相关文献与本推文中的部分分析模型。
精彩回顾：
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