問(wèn)題描述：
對(duì)于考慮非線性剪力墻的建模，通常采用分層殼單元進(jìn)行模擬。請(qǐng)問(wèn)，具體該如何設(shè)置分層殼中相關(guān)參數(shù)，以合理地考慮剪力墻的彈塑性行為？
解答：
分層殼單元基于復(fù)合材料力學(xué)原理，將一個(gè)殼單元分成多層，每層根據(jù)需要設(shè)置不同的厚度和材料。分層殼單元考慮了面內(nèi)彎曲-面內(nèi)剪切-面內(nèi)彎曲之間的耦合作用，能比較全面地反映殼體結(jié)構(gòu)的空間力學(xué)性能，在分析剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)具有很高的精度和實(shí)用性。
鋼筋混凝土剪力墻通常看作由若干混凝土層和鋼筋層構(gòu)成。具體工程模型中，需根據(jù)剪力墻厚度、配筋量、鋼筋分布形式、材料等級(jí)的不同，可定義不同的分層殼單元，來(lái)模擬不同位置的墻肢或連梁的非線性行為。
圖1 剪力墻分層殼模型
下面以具體案例進(jìn)行說(shuō)明，例如：定義450mm厚的剪力墻，保護(hù)層厚度75mm，兩層豎直和水平鋼筋，豎向鋼筋層提供2%配筋率，水平鋼筋層提供1%配筋率。
按照分層殼理論定義剪力墻模型，最直觀的情況是將剪力墻分為5層，包括：混凝土層，豎向、水平鋼筋各兩層，如下圖2所示。
層名1為混凝土層，單元類型采用殼（shell），三個(gè)材料分量均考慮為非線性（nonlinear），積分點(diǎn)數(shù)設(shè)為最大值5以盡可能準(zhǔn)確地捕捉其屈服后行為。
層名2、3為豎向鋼筋層，層名4、5為水平鋼筋層。根據(jù)配筋率換算可得到鋼筋層等效厚度。通過(guò)指定材料角來(lái)描述鋼筋的分布方向，材料1軸與殼單元1軸方向相同（殼單元局部坐標(biāo)軸默認(rèn)情況下，1軸為水平方向，2軸為豎直方向），故材料角“0度”代表水平鋼筋，材料角“90度”代表豎向鋼筋（即與殼局部2軸方向?qū)R）。鋼筋材料S11總是非線性；S12設(shè)置為非線性的，代表允許混凝土開(kāi)裂后鋼筋承受剪力，即“銷釘”作用，用戶需根據(jù)工程具體情況判斷該方式模擬是否適合。
圖2 剪力墻分層殼模型
圖2定義的5層剪力墻分層殼似乎很符合“實(shí)際”情況，但卻不是最實(shí)用的分析模型。該模型呈現(xiàn)出多種破壞機(jī)制，可能掩蓋掉基于性能設(shè)計(jì)所需的工程信息。對(duì)于實(shí)際分析而言，需要更簡(jiǎn)單清晰的模型來(lái)滿足工程目標(biāo)，使得分析更快，更容易對(duì)結(jié)果進(jìn)行表述。
對(duì)于較高的剪力墻，其受力特點(diǎn)類似于柱，以壓彎變形為主。可以忽略橫向鋼筋的線性行為，因此模型中可不考慮水平鋼筋層。豎向鋼筋層，單元類型設(shè)為膜，S12設(shè)為無(wú)效，這是更為保守方法。對(duì)于混凝土層，將其分解為面內(nèi)和面外行為，即把混凝土單元類型“殼”分解為“膜”（membrane）和“板”（plate）的組合。對(duì)于板行為（即平面外行為），假設(shè)為線性屬性，并進(jìn)行厚度折減以考慮開(kāi)裂的影響（本例中取總厚度0.8倍折減），積分點(diǎn)設(shè)為2。經(jīng)過(guò)上述的簡(jiǎn)化處理，剪力墻的分層殼“實(shí)用”模型如下圖3所示。
圖3 簡(jiǎn)化模型
程序?yàn)橛脩籼峁┖艽蟮淖杂啥热レ`活建立分層殼截面，表示不同的線性和非線性行為，建議用戶根據(jù)面對(duì)象的實(shí)際受力狀態(tài)合理地設(shè)置分層殼參數(shù)，在滿足工程要求的前提下，盡可能減少非線性自由度數(shù)量，平衡計(jì)算精度與計(jì)算效率之間的關(guān)系。
關(guān)于分層殼參數(shù)更多詳細(xì)說(shuō)明，可見(jiàn)《CSI分析參考手冊(cè)》第10章分層殼相關(guān)內(nèi)容。