新型雙鋼板混凝土組合剪力墻抗震性能有限元分析研究

甄志祿，張玉蘭，劉永奇，高秋利，杜顏勝，張宇桐

（1.河北建設集團股份有限公司，河北 保定 071000；2.天津大學 建筑工程學院，天津 300072）

1 引言

雙鋼板混凝土組合剪力墻是近年來興起的一種裝配式鋼結構高層建筑中常用的構件，不僅可以承載水平荷載，還可以作為主要承受豎向荷載的構件；其橫截面主要由兩側面層鋼板和夾層的內填混凝土組成[1]；面層鋼板可通過對拉螺栓、肋板等相互連接，也可通過各類抗剪連接件與混凝土相連，進而增強組合剪力墻截面的整體穩定性等性能。

根據以往的研究，雙鋼板混凝土組合剪力墻具有較高的承載力和良好的延性，但在高層住宅建筑體系中的應用還不夠廣泛[2]。將其用于住宅建筑中可以做到不露梁、不露柱，增加建筑的使用面積[3]。因此，本文提出了一種新型剪力墻，并建立了其精細化有限元模型，研究鋼板厚度和是否布置抗剪栓釘對該剪力墻抗震性能的影響。

2 有限元模型

2.1 有限元模型概述

本文建立了5 組有限元足尺模型，編號為ZHQ1～ZHQ5。墻體高度均為3 000 mm，寬度為1 200 mm，鋼板厚度從3 mm變化到6 mm。剪跨比λ 計算如式1 所示。所有鋼板均采用Q345B 鋼材。采用底部固定、頂部施加面內水平往復荷載的方式研究鋼板剪力墻的抗展性能。模型相關參數見表1，尺寸圖如圖1 所示。

表1 剪力墻試件有限元模型參數 mm

圖1 模型尺寸圖

式中，h0為剪力墻的計算高度；w 為剪力墻的寬度。

2.2 鋼材與混凝土本構關系

2.2.1 鋼材本構

鋼材本構模型采用彈塑性模型。試件中的鋼材采用Q345鋼，應力-應變關系曲線一般分為5 個階段：彈性段、彈塑性段、塑性段、強化段和二次塑性流幅階段[4]。為了模擬鋼材在循環荷載過程中的累計損傷，本文采用了基于Xue-Wierzbicki金屬損傷起始準則的延性金屬損傷模型[5]。

2.2.2 混凝土的本構關系

對于內填混凝土，由于墻截面形成了鋼管腔，其材料性能因周圍鋼材的約束會得到一定的增強，受約束的混凝土的峰值應力對應的應變會有所增加，應力-應變關系曲線的下降段會趨于平緩。本文采用韓林海教授[6]提出的鋼管混凝土約來本構模型進行研究。

2.3 接觸關系與網格劃分

新型雙鋼板混凝土組合剪力墻中的有限元模型中，鋼板與混凝土之間的法向接觸采用硬接觸，切向接觸采用庫倫摩擦模型。根據以往的研究經驗[7]，摩擦系數取0.4；抗剪栓釘與混凝土之間的接觸采用嵌入式接觸，其余鋼材之間的焊縫均采用綁定接觸。該剪力墻模型全部采用8 節點減縮積分的三維實體單元（C3D8R）建模。經過網格敏感性分析，為了平衡計算精度和計算效率，確定網格尺寸全部為50 mm。

3 數值模擬結果

3.1 不同參數下滯回曲線與骨架曲線對比分析

為方便分析對比采用不同參數時試件的抗震性能，將5 個剪力墻有限元模型的屈服點、峰值點等特征數據列于表2 中，其中，數據均為滯回正負方向平均值。其中，屈服點采用最遠點法[8]計算得到，峰值荷載對應最大荷載，峰值位移為峰值荷載對應的位移。

表2 特征點數據

3.1.1 鋼板厚度對滯回性能的影響

圖2a 中給出了ZHQ1、ZHQ2、ZHQ3 和ZHQ4 的滯回曲線，4 個試件的鋼板厚度從3 mm 變化至6 mm。新型雙鋼板混凝土組合剪力墻的滯回曲線呈現為梭形，沒有明顯捏縮現象，表明該構件的剛度較大，耗能能力強。此外，隨著面層鋼板厚度的增加，滯回環的面積越來越大，耗能增加。這是因為鋼板厚度的增加提高了該組合剪力墻截面的含鋼率，大幅度提高了構件的耗能能力。

圖2b 中列出了ZHQ1、ZHQ2、ZHQ3 和ZHQ4 的骨架曲線。隨著鋼板厚度的增加，試件的承載力提高較多，從3 mm 鋼板到6 mm 鋼板，屈服荷載從609.2 kN 提高至954.4 kN，增長了56.7%；峰值荷載從668.5 kN 提高至1 092.1 kN，增長了63.4%。說明截面含鋼量是影響構件承載能力的重要影響因素。此外，從圖中可以看出，隨著鋼板厚度增加，構件的初始剛度逐漸提升。這是因為在水平加載過程中，由于截面含鋼量增加，產生相同的橫向位移需要施加更大的荷載，所以表現為剛度的提高。

圖2 ZHQ1-ZHQ4 試件的荷載-位移曲線對比

3.1.2 抗剪栓釘的布置對滯回性能的影響

在圖3 中給出了試件ZHQ3 和ZHQ5 的荷載-位移曲線對比，其中，ZHQ5 為栓肋混合拉結的剪力墻，ZHQ3 為僅有肋板拉結的剪力墻。從滯回曲線和骨架曲線上看，抗剪栓釘的布置提高了試件加載后期的強度，在一定程度上延緩了試件在破壞階段出現承載力下降的時間。這表明抗剪栓釘增強了剪力墻面層鋼板和混凝土之間的連接，增強了載荷過程中鋼板和混凝土的協同受力，進而提高了試件延性，增強了耗能能力。從承載力上分析，ZHQ5 的屈服荷載相比ZHQ3提高了10.5%；ZHQ5 的峰值荷載相比ZHQ3 提高了1.7%。因此，抗剪栓釘延長了試件彈性階段，但對構件極限承載力影響較小。

圖3 ZHQ3 與ZHQ5 試件的荷載-位移曲線對比

4 結論

運用ABAQUS 軟件建立了5 個新型雙鋼板混凝土剪力墻的模型。選用了合適的鋼材、混凝土的本構關系，考慮了鋼材的損傷行為，對結構進行了低調往復荷載下的抗震性能分析，得到的主要結論如下：

1）雙鋼板混凝土組合剪力墻在加載過程中經歷了彈性階段、彈塑性階段、以及破壞階段。試件破壞模式是底部鋼板在彈塑性階段和破壞階段發生大面積屈服和局部屈曲，內填混凝土壓潰，承載力隨之下降。

2）剪力墻鋼板厚度的增加使截面的含鋼量大幅度提高，從而使剪力墻的承載能力、初始剛度和耗能能力得到明顯增強。

3）抗剪栓釘的布置提高了試件的屈服荷載，延緩了試件在破壞階段承載力下降過程的出現，提高了延性。表明抗剪栓釘增強了剪力墻面層鋼板和混凝土之間的連接，增強了鋼板和混凝土的協同受力。但是抗剪栓釘的布置對構件極限承載力影響較小。