單調(diào)荷載下帶拉條鋼板-型鋼約束混凝土組合剪力墻力學(xué)性能分析

馮建龍， 劉華盛

(山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東青島 266590)

[定稿日期]2017-10-18

剪力墻作為高層及超高層建筑中的基本抗側(cè)力構(gòu)件,具有剛度大、承載力高等優(yōu)點(diǎn),在高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用。然而傳統(tǒng)的鋼筋混凝土剪力墻變形能力小、延性及抗震性能較差,易發(fā)生脆性破壞[1]。為滿(mǎn)足JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中剪力墻軸壓比限值的要求，鋼筋混凝土剪力墻會(huì)做得很厚，而較厚的墻體會(huì)導(dǎo)致使用空間減小、結(jié)構(gòu)自重增大等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，各種新型剪力墻結(jié)構(gòu)體系近年來(lái)得到廣泛研究，鋼板-混凝土組合剪力墻就是研究熱點(diǎn)之一。1987年Hitachi公司提出兩側(cè)鋼板內(nèi)填混凝土墻[2]。由于鋼板組成方格的形狀，鋼板對(duì)混凝土的套箍作用加強(qiáng)，并使鋼板不容易屈曲，這種剪力墻承載能力和變形能力都很高。Wright H D.等提出了兩側(cè)壓型鋼板內(nèi)填混凝土組合鋼板剪力墻[3]。研究表明該試件擁有較好的抗剪能力，試件的寬厚比對(duì)抗剪強(qiáng)度影響比較小，但對(duì)彈性區(qū)間和極限抗剪強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的位移有一定的影響。清華大學(xué)聶建國(guó)等[4]提出綴板拉結(jié)式雙鋼板-混凝土組合剪力墻，通過(guò)綴板拉結(jié)可有效避免墻身鋼板的局部屈曲，同時(shí)可加強(qiáng)對(duì)內(nèi)填混凝土的約束作用，大幅提高了高強(qiáng)混凝土的變形能力。

1 模擬構(gòu)件概況

本文在雙鋼板內(nèi)填混凝土組合剪力墻基礎(chǔ)上，在墻體邊緣增設(shè)方鋼管，中部鋼板之間用工字鋼連接，兩側(cè)鋼板之間采用加勁拉條進(jìn)行拉結(jié)，形成一種新型的帶拉條鋼板—型鋼約束混凝土組合剪力墻，其截面特征如圖1所示。根據(jù)JGJ 138-2001《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范中關(guān)于剪力墻各參數(shù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，建立了以下一組帶拉條鋼板-型鋼約束混凝土組合剪力墻構(gòu)件。其截面具體尺寸是在文獻(xiàn)[5]基礎(chǔ)上，根據(jù)截面特征、參數(shù)設(shè)置以及考慮后期試驗(yàn)情況所確定[5](表1)。

圖1 帶拉條鋼板-型鋼約束混凝土組合剪力墻構(gòu)件

2 帶拉條鋼板—型鋼約束混凝土組合剪力墻有限元模型

2.1 材料本構(gòu)模型

2.1.1 鋼材本構(gòu)模型

鋼材作為比較理想的均質(zhì)材料，其受壓、受拉的力學(xué)性質(zhì)基本一致，經(jīng)常采用的鋼材應(yīng)力-應(yīng)變模型包括理想的彈塑性模型、雙線(xiàn)性模型、三折線(xiàn)模型以及全曲線(xiàn)模型[6]。本文所有鋼材均采用Q235鋼，屈服強(qiáng)度215 MPa,彈性模量2.06×105MPa，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)選取雙折線(xiàn)模型(圖2)。屈服準(zhǔn)則遵守Von Mises屈服準(zhǔn)則及相應(yīng)流動(dòng)法則。

表1 帶拉條鋼板-型鋼約束混凝土組合剪力墻構(gòu)件參數(shù)

2.1.2 混凝土本構(gòu)模型

采用ABAQUS軟件提供的混凝土塑性損傷模型，該模型將損傷指標(biāo)[7]引入混凝土模型，對(duì)混凝土的彈性剛度矩陣加以折減，塑性流動(dòng)法則為非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則。混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系所采用的混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型[8]。混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系選取參考GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C中推薦的模型，泊松比0.2，密度2 400 kg/m3，混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示。

圖2 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

(a) 混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

(b) 混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)圖3 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

2.2 模型建立

該組合剪力墻有限元模型，混凝土、鋼管、鋼板及工字鋼采用實(shí)體單元C3D8R，拉條采用TRUSS單元，單元類(lèi)型為T(mén)3D2。鋼與混凝土采用綁定約束，不考慮鋼與混凝土之間的粘結(jié)滑移。墻體頂部設(shè)置一剛性加載梁，與下部墻體采用綁定約束，為避免因局部荷載過(guò)大可能導(dǎo)致的單元模型局部變形過(guò)大，采用參考點(diǎn)與加載面耦合的方法進(jìn)行水平加載，墻底部約束為完全固定，無(wú)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)位移[9]。荷載方面，首先將豎向軸壓力折算為面荷載均勻施加在加載梁上表面，為了能夠更好地模擬剪力墻構(gòu)件力學(xué)曲線(xiàn)峰值點(diǎn)后的下降段，水平荷載采用位移加載的方式，模擬時(shí)逐步增大加載面的水平側(cè)向位移。帶拉條鋼板-型鋼約束混凝土組合剪力墻整體有限元模型如圖4所示。

圖4 帶拉條鋼板-型鋼約束混凝土組合剪力墻整體有限元模型

3 有限元分析結(jié)果

對(duì)所有構(gòu)件有限元模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到各個(gè)構(gòu)件加載點(diǎn)的荷載-位移曲線(xiàn)，將各構(gòu)件屈服荷載和屈服位移、峰值荷載和峰值位移、極限荷載和極限位移等數(shù)據(jù)如表2所示。其中極限位移取荷載下降到85 %峰值荷載時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移值，延性系數(shù)定義為剪力墻極限位移與屈服點(diǎn)位移之比，即μ=Δd/Δy。

3.1 軸壓比對(duì)構(gòu)件性能的影響

保持其他因素不變，只改變?cè)嚰S壓比，從0.2～0.5變化，得到該組合剪力墻在不同軸壓比下的荷載-位移曲線(xiàn)(圖5)。可以看出，軸壓比的增大對(duì)墻體水平承載力有一定提高，但不是很明顯，且增加幅度越來(lái)越小，軸壓比越大荷載下降越明顯，極限位移越減小。從而說(shuō)明其延性越差，越容易發(fā)生脆性破壞，因此不宜采取增大軸壓比的方式來(lái)提高該組合墻承載能力。

表2 試件墻頂水平荷載及水平位移特征值

圖5 不同軸壓比下試件荷載-位移曲線(xiàn)

3.2 剪跨比對(duì)構(gòu)件性能的影響

保持其他因素不變，只改變?cè)嚰艨绫龋玫皆嚰诩艨绫葹?.5和2.0情況下的荷載-位移曲線(xiàn)(圖6)。可以看出，剪跨比是影響該組合剪力墻力學(xué)性能的重要參數(shù)，試件SCW2與試件SCW1相比，峰值荷載下降12.3 %，但其極限位移增大，說(shuō)明其變形能力提高。并且在彈性階段，剪跨比大的剛度明顯降低。剪跨比不僅影響了構(gòu)件荷載和位移的大小，而且荷載-位移曲線(xiàn)也發(fā)生一定變化。

圖6 不同剪跨比下試件荷載-位移曲線(xiàn)

3.3 拉條對(duì)構(gòu)件性能的影響

為了對(duì)比分析拉條對(duì)該剪力墻受力性能的影響，設(shè)計(jì)了一片不帶拉條的剪力墻試件SCW6，得到帶拉條與不帶拉條試件荷載-位移對(duì)比曲線(xiàn)(圖7)。可以看出拉條對(duì)構(gòu)件的力學(xué)性能影響較大，試件SCW1比SCW6峰值荷載提高了10 %左右，彈性階段構(gòu)件的剛度明顯增加，但構(gòu)件變形能力和延性沒(méi)有太大變化。從變形圖可看出，試件SCW6構(gòu)件邊緣的鼓曲程度和范圍明顯比SCW1要小。這是由于當(dāng)墻底部混凝土壓碎后，兩側(cè)鋼板受到混凝土向外的張力，發(fā)生鼓曲變形，拉條受拉，對(duì)兩側(cè)鋼板起到拉結(jié)作用，一定程度約束了鋼板的側(cè)向鼓曲，承載力也有一定提高。

圖7 帶拉條與不帶拉條試件荷載-位移曲線(xiàn)

4 結(jié)論

本文提出一種新型帶拉條的鋼板-型鋼約束混凝土組合剪力墻，采用ABAQUS有限元分析軟件建立了該組合剪力墻非線(xiàn)性有限元模型，研究了該形式剪力墻的受力性能，分析了不同參數(shù)對(duì)剪力墻力學(xué)性能的影響，得到以下結(jié)論：

(1)帶拉條型鋼-鋼板混凝土組合剪力墻破壞過(guò)程基本分為三個(gè)階段，即彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。

(2)隨軸壓比的增大，墻體水平承載力有一定提高，但不是很明顯，軸壓比越大荷載下降越明顯，延性越差，越容易發(fā)生脆性破壞，因此不宜采取增大軸壓比的方式來(lái)提高該組合墻承載能力。

(3)剪跨比是影響該組合剪力墻力學(xué)性能的重要參數(shù)，剪跨比增大，墻體承載能力降低，變形能力提高。

(4)拉條的存在對(duì)該組合剪力墻力學(xué)性能有很大影響，拉條在墻體受力過(guò)程中對(duì)兩側(cè)鋼板起到拉結(jié)作用，一定程度上約束了鋼板的側(cè)向鼓曲，承載力也有一定提高。

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