建筑鋼混剪力墻抗震特性數值模擬研究

李沙沙，蔣玉飛，康 英

(四川大學錦江學院，四川 眉山 620860)

1 引言

近些年，隨著社會需求的提高，建筑行業發展迅猛，建筑結構越來越大、越來越復雜，建筑的高度也在不斷刷新[1]。建筑高度增加帶來了建筑安全性問題，很多國家地處地震帶或地震帶的交匯處，這些地帶地震活動頻繁，地震災害嚴重人們的生活環境[2-4]。面對災害的隨機性和復雜性，建筑很可能遭受到嚴重破壞，這種情況下，對建筑的抗震性能提出了更高的要求[5]。

國內外建筑專業相關的學者與專家經過多年的研究與實踐，研究出了一種鋼混剪力墻作為建筑的構件，被應用在廣泛的建筑中。面對地震災害的不斷變化，針對鋼混剪力墻結構逐漸發展出一套完整的抗震特性研究方法，應用比較廣泛、比較成熟的方法就是數值模型和模擬方法[6]。現階段，數值模擬方法已經成熟，針對不同的情況也有了很多專用的數值模擬方法，在建筑方面，有基于OpenSEES的數值模擬方法和基于Revit平臺的數值模擬方法，在使用數值模擬方法分析抗震性能過程中，很難在變化的試驗條件下保持穩定，對于能量消耗的控制和參數影響均衡水平難以掌握[7-9]。因此，提出建筑鋼混剪力墻抗震特性數值模擬研究，在原有資料的基礎上，設計新的數值模擬方法，解決上述中存在的問題。

2 建筑鋼混剪力墻抗震性能數值模擬方法設計

2.1 建立有限元模型

對于建筑鋼混剪力墻的模擬，采用有限元法將剪力墻劃為離散單元之后，使用插值函數描述離散單元，在確定某個插值函數后，通過控制離散單元數量來控制有限元法求解問題的精確程度，離散單元越多精確程度越高。在實際數值模擬過程中，對于鋼混剪力墻抗震性能分析精度要求不高，需要在權衡問題求解的精度與離散單元劃分數量之間找到一個平衡點，得到最佳結果。實際模擬過程如下。

對于建筑鋼混剪力墻抗震性能的數值模擬，使用Concrete01來模擬剪力墻的混凝土，模擬剪力墻的裂縫開合的力學特性[10]。Concrete01參數如圖1所示。

圖1 Concrete01參數

在計算混凝土的本構關系時，選用修正的Kent-Park模型計算核心區混凝土[11]。修正的Kent-Park模型本構方程及相關參數如下

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)表示的是受壓曲線段方程，其中α表示受壓強度，e表示箍筋約束對混凝土受壓強度的提高系數，b1表示混凝土的圓柱體抗壓強度，σ表示混凝土的極限應變，b2表示箍筋的屈服強度，c表示受壓下降段的斜率[12]。核心區混凝土的本構結構由上式計算獲得。對于鋼混剪力墻中的鋼筋采用Steel02模擬，其本構關系特征參數取值如表1所示。

表1 鋼筋參數取值

表中顯示的是直徑為6mm、8mm、10mm、12mm的鋼筋參數。在已知混凝土和鋼筋參數的基礎上，定義剪力墻截面，采用patch rect命令定義混凝土范圍，使用layer straight命令定義鋼筋。建模從剪力墻底部開始，逐漸向上完成建筑鋼混剪力墻的整體建模。

在初始分析步里，設置模型各部件之間相互作用，在有限元模型中主要分為兩種，一種鋼管束和混凝土之間的接觸問題，另一種是鋼管束之間的連接問題。其中對于鋼管束問題，在建立模型過程中，不需要考慮焊縫問題對構件的影響，各個鋼管束之間通過merge命令形成一個鋼管束整體。為了保證鋼管束與混凝土在變形均比較正常的情況下，不因法向壓力變化穿透現象。計算混凝土與鋼管束的滑移，把它們之間的接觸面設置為主從面，鋼板接觸面設置為隸從面，在設定初始邊界時將鋼混剪力墻模型底部視為完全嵌固端。

2.2 抗震性能指標確定及計算

建筑鋼混剪力墻的抗震性能的分析主要是對剪力墻的抵抗荷載作用的能力，抵抗變形的能力和結構的耗能能力進行研究分析。在地震作用下，剪力墻處于一個不斷吸收和消耗能量的過程，受到外界作用力的作用，在抵抗荷載能力達到極限時，可能會發生變形的情況。針對這一特性，確定抗震性能指標為承載力、剛度和延性以及耗能能力。其中承載力分為屈服承載力和極限承載力，這兩項參數從圖2中得以確定。

圖2 承載力的確定

鋼混剪力墻的割線剛度計算公式如下

(5)

式中Ri表示剪力墻在第i級加載下的割線剛度，Ri表示剪力墻在第i級正向水平力加載下最大荷載值，其對應的位移值就是Δi；-Ri表示剪力墻在第i級反向水平力加載下最大和載值，其對應的位移值為-Δi。衡量結構或構件延性的大小一般用位移延性系數表示，公式為

(6)

式中Δω表示極限破壞時的位移，Y表示屈服位移。能量消耗能力通過滯回曲線所包圍的面積來判斷，根據剪力墻的實際耗能情況來確定。

2.3 抗震性能數值模擬分析

運用ABAQUS分析軟件對建立的剪力墻有限元模型進行水平向反復加載的模擬，得到鋼混剪力墻的滯回曲線，從中提取出骨架曲線，進而計算出屈服承載力、峰值承載力和極限承載力，計算結果值越高說明鋼混剪力墻的承載力越好。

ABAQUS軟件中包括兩個主求解器模塊，分別是Standard和Explicit，并且在實際工作中該軟件還提供了一些專用接口，如Design、Auqs和MOLDFLOW接口等，便于解決各種問題。該軟件的集成工作環境是CAE，具有建模和監控運算等多項功能，對實時掌握數值模擬分析過程有很大幫助。

根據鋼混剪力墻在水平加載過程，得到剪力墻的剛度退化曲線。正常情況下，隨著水平荷載的增加，鋼混剪力墻的切線剛度開始發生退化現象，在鋼混剪力墻達到峰值承載力時，繼續加載，鋼混剪力墻剛度退化較為明顯，在加載的后期鋼混剪力墻剛度退化的趨勢通過曲線的斜率來分析，曲線斜率越大，說明鋼混剪力墻剛度變化比較穩定，反之剛度變化比較大。

抗震特性中的耗能特性主要利用水平向反復加載過程中的滯回耗能及等效占滯阻尼系數來衡量。正常情況下，加載初期鋼混剪力墻處于彈性階段，耗能比較小，隨著水平荷載的增加，鋼混剪力墻將會進入到彈塑性工作階段，此時形成的滯回曲線面積逐漸增大，耗能能量增加，根據滯回曲線面積的變化來衡量耗能能力。通過以上三項指標即可確定建筑鋼混剪力墻的抗震性能，至此，建筑鋼混剪力墻抗震性能數值模擬分析完成。

3 建筑鋼混剪力墻抗震特性數值模擬研究

3.1 實驗試件幾何參數設計

實驗中使用兩片鋼混剪力墻試件，試件結構形式、尺寸和配筋如下圖所示。

圖4 截面配筋布置圖

墻板基礎部分以上高度為2.5m，寬為1.5m，厚度為200mm，核心現澆區混凝土厚度為100mm。這兩個試件在構造方式和尺寸參數等方面完全相同，僅在插筋面積上有所不同。使用的混凝土材料設計強度為C30，鋼筋材料的力學性能如表1所示。

表2 鋼筋材料力學性能

以上縱筋和基礎插筋均采用彈性段和塑性段比較明顯的HRB400級鋼筋。

3.2 加載方案設計

實驗開始時，施加豎向荷載，墻體按照實際軸壓比0.12進行施加，實驗軸壓比實際結構小。實驗中采用位移控制的方式進行水平加載，如圖5所示。

圖5 加載制度

在實驗前，控制作動器水平位移進行加載，位移距離分別是2、3、4、5、6、7mm，每個位移值循環一次；循環完成后，按照試件總高的0.25%、0.50%、0.75%等進行加載，直到試件承載力下降到最大承載力的85%左右時結束。此時分別使用不同的數值模擬方法來分析剪力墻的抗震特性。在上述過程中，定義作動頭伸長為正向加載，縮短為負向加載。

3.3 參數影響實驗結果及分析

數值模擬中需要對抗震性能進行分析，涉及的參數比較多，不同參數在數值模擬中有不同的影響比重，如果在對參數模擬過程中，出現占比失衡的情況，將影響后續抗震性能分析結果。因此，參數影響實驗主要計算數值模擬過程中參數的權重，根據權重結果分析數值模擬方法中參數的均衡效果。實驗結果如下所示。

圖6 不同數值模擬方法參數影響實驗結果

實驗中以承載力、剛度和延性參數作為指標。對比觀察圖中結果，圖a中顯示在三個參數的權重分布中，承載力的權重遠遠高于另外兩個參數；圖b中參數剛性權重和剛性高于承載力參數，其中剛性參數權重最高；圖c中結果顯示，三個參數權重分布比較均勻，之間差值不超過0.25，在標準范圍內。綜上所述，設計的建筑鋼混剪力墻抗震特性數值模擬方法參數權重均衡，在抗震性能分析條件的變化下，對數值模擬結果影響極小。

3.4 能量耗散控制效果實驗及分析

分別在0.2g、0.4g、0.9g和1.2g的地震波作用下，使用三種不同的數值模擬方法對鋼混剪力墻抗震性能進行分析，使用第三方插件輸出能量耗散控制情況，具體結果如下表所示。

表3 不同數值模擬方法能量耗散控制效果實驗結果

表中顯示的數據是在數值模擬過程中，能量耗散控制的波動值，波動值越高說明能量耗散控制范圍不精準、控制不穩定，反之則說明控制精準穩定。從表中數據可以看出，隨著地震波的增加，各個數值模擬方法的波動值在不斷增加，并且增加幅度越來越大。但是對比觀察各組數據可知，提出的數值模擬方法波動值極小，始終在1.0以下。結合上述參數影響實驗結果可知，提出的建筑鋼混剪力墻抗震特性數值模擬方法能量控制穩定、參數影響均衡，在多變的條件下能夠始終保持自身的模擬水平，該方法優于傳統的數值模擬方法。

4 結束語

本文以建筑鋼混剪力墻作為主要研究對象，結合地震災害調查資料，提出建筑鋼混剪力墻抗震特性數值模擬研究。在原有資料的支持下，實現對剪力墻抗震性能的數值模擬分析。通過實驗得出以下結論：

1)提出方法能夠有效承載力、剛度和延性三個參數權重分布比較均勻，之間差值不超過0.25。

2)當地震波為1.2g時，提出的數值模擬方法的能量耗散控制波動值為0.934，遠遠低于其它方法，說明本文方法的建筑鋼混剪力墻的穩定性較好。

但是本文研究有對鋼混結構剪力墻的節點設計進行深入研究，在后續研究中，將從這一方面展開深入研究與探討。