CFST框架-SPWS結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析

侯 健， 王建安

(1. 西安交通大學(xué) 土木工程系， 陜西 西安 710049； 2. 機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院， 陜西 西安 710043)

鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，且已經(jīng)在一些地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)工程中得到應(yīng)用[1]。鋼板剪力墻由于其具有穩(wěn)定的滯回特性和大的塑性能量吸收能力，且自重輕，已成為一種非常具有應(yīng)用價(jià)值的高層結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系。然而，由于鋼板剪力墻寬厚比過大，往往導(dǎo)致其平面外失穩(wěn)屈曲先于塑性失效。為防止平面外屈曲的發(fā)生，需要增加平面外支撐或外包混凝土，導(dǎo)致造價(jià)上升，從而限制了其應(yīng)用[2]。

近年來，日本開始應(yīng)用一種帶豎縫鋼板剪力墻[3]。將開縫的概念引入到鋼板剪力墻中，可減小鋼板的寬厚比，從而提高鋼板剪力墻的穩(wěn)定性，而且，通過調(diào)整豎縫的間距、長度等，可以方便地改變墻體的剛度。這種帶豎縫鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)具有方便施工、布置靈活、剛度可調(diào)、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[3～5]。本文基于LS-DYNA有限元程序[6]對一鋼管混凝土框架-帶豎縫鋼板剪力墻工程實(shí)例結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)及倒塌分析，同時(shí)對比分析了無帶縫鋼板剪力墻的框架結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，鋼管混凝土框架-帶豎縫鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能、較小的層間側(cè)移、較強(qiáng)的抗倒塌能力等優(yōu)點(diǎn)。

1 工程概況

位于8度抗震設(shè)防區(qū)，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，Ⅱ類場地土的某十一層鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)住宅，標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面布置如圖1所示。在一至十層結(jié)構(gòu)中跨中間梁的中部分別布置一片帶縫鋼板剪力墻(圖2)。為調(diào)節(jié)墻的剛度，一至五層鋼板剪力墻設(shè)置三道豎縫，六至十層鋼板剪力墻設(shè)置兩道豎縫。設(shè)計(jì)框架柱為方鋼管混凝土柱，其截面尺寸為350 mm×350 mm，鋼板厚度一至三層為12 mm，四至十一層為10 mm，鋼材均為Q345，內(nèi)填C40混凝土?？蚣芰簽镠型鋼梁，截面為450 mm×200 mm×9 mm×14 mm，鋼材為Q345。帶豎縫鋼板剪力墻厚度均為10 mm，鋼材均為Q235。樓板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，其厚度為100 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C25。樓面恒載為4.0 kN/m2，活載為2.0 kN/m2，屋面恒載為5.5 kN/m2，活載為0.5 kN/m2。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 帶豎縫鋼板剪力墻示意圖

2 計(jì)算模型

選取LS-DYNA有限元程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)及倒塌分析。對鋼管混凝土柱外壁方鋼管、H型鋼梁、帶縫鋼板剪力墻及混凝土樓板均采用SHELL163殼單元，對鋼管混凝土柱的內(nèi)填混凝土采用SOLID164三維實(shí)體單元，不考慮鋼管內(nèi)壁與混凝土間的粘結(jié)滑移。

計(jì)算模型中，鋼材和混凝土本構(gòu)關(guān)系均選用LS-DYNA中的材料Plastic Kinematic模型[7]。對Q345鋼材，材料密度為7800 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.27，屈服強(qiáng)度為300MPa，屈服后強(qiáng)化模量為2 GPa，斷裂失效塑性變形為1%；對Q235鋼材，材料密度為7800 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.27，屈服強(qiáng)度為210 MPa，屈服后強(qiáng)化模量為2 GPa，斷裂失效塑性變形為1%；鋼管內(nèi)填C40混凝土，材料密度為2500 kg/m3，彈性模量為32.5 GPa，泊松比為0.2，屈服強(qiáng)度為19.1 MPa，屈服后強(qiáng)化模量為0，斷裂失效塑性變形為0.38%；對于鋼筋混凝土樓板近似將其看作均質(zhì)單一材料，仍采用Plastic Kinematic模型，材料密度為2500 kg/m3，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.2，屈服強(qiáng)度為30 MPa，屈服后強(qiáng)化模量為0，斷裂失效塑性變形為0.38%。

為了能盡可能客觀真實(shí)地反映帶縫鋼板墻的工作性能，尤其是兩豎縫間的“小柱”的性能，則在單元?jiǎng)澐謺r(shí)鋼板墻單元應(yīng)盡可能小。此次，將兩縫間的每個(gè)“小柱”分為兩列四行共8個(gè)單元。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)El-Centro地震波x向記錄，選取其峰值加速度所在一段持時(shí)共4s的記錄，如圖3所示，并根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗震設(shè)防能力，分六種不同工況(地震波峰值不同，但波形相同)進(jìn)行加載分析。六種不同工況下的波峰值分別為：2，4，6.2，9，12，15 m/s2。

圖3 加速度波(工況1)

3.1 框剪結(jié)構(gòu)

對于設(shè)有帶縫鋼板剪力墻的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，可得上述六種工況下結(jié)構(gòu)頂層的側(cè)移曲線和整體反應(yīng)分別如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可見，前5種工況下結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)整體倒塌破壞，但隨加載地震波峰值增大，結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)明顯增強(qiáng)，工況6時(shí)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了整體倒塌破壞；帶縫鋼板剪力墻總是先于結(jié)構(gòu)其它部位出現(xiàn)破壞，且隨加載地震波峰值增大，鋼板墻局部破壞程度明顯增強(qiáng)。

根據(jù)各工況計(jì)算過程中，結(jié)構(gòu)局部破壞的詳細(xì)信息可見：(1)工況1時(shí)，單元35782先發(fā)生破壞，其位于第二層剪力墻，工況2至工況6時(shí)，單元35119先發(fā)生破壞，其也位于第二層剪力墻；(2)工況1時(shí)，結(jié)構(gòu)局部破壞只出現(xiàn)于一至五層剪力墻上，其最大破壞單元號37924，工況2時(shí)，結(jié)構(gòu)局部破壞出現(xiàn)于一至九層剪力墻上，其最大破壞單元號39556，工況3時(shí)，結(jié)構(gòu)局部破壞出現(xiàn)于所有剪力墻上，其最大破壞單元號40592，在工況4之后，結(jié)構(gòu)局部破壞不僅出現(xiàn)在所有剪力墻上，同時(shí)一些梁或柱單元也出現(xiàn)局部破壞；(3)工況1至工況6，結(jié)構(gòu)總的破壞單元數(shù)分別為：17、84、140、240、602和1463。

圖4 不同工況下框剪結(jié)構(gòu)頂層側(cè)移反應(yīng)

圖5 不同工況下框剪結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)

3.2 框架結(jié)構(gòu)

對于無帶縫鋼板剪力墻的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，可得上述六種工況下結(jié)構(gòu)頂層的側(cè)移曲線和整體反應(yīng)分別如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可見，前4種工況下結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)整體倒塌破壞，但隨加載地震波峰值增大，結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)明顯增強(qiáng)，工況5和工況6時(shí)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了整體倒塌破壞，且隨加載地震波峰值增大，結(jié)構(gòu)發(fā)生整體倒塌破壞的時(shí)間提前，或相同時(shí)刻結(jié)構(gòu)的倒塌程度顯著增強(qiáng)。

圖6 不同工況下框架結(jié)構(gòu)頂層側(cè)移反應(yīng)

圖7 不同工況下框架結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)

對比圖5和圖7可見，有帶縫鋼板剪力墻的框架結(jié)構(gòu)的抗震能力明顯強(qiáng)于無剪力墻的框架結(jié)構(gòu)，其在工況6的3.6 s附近開始出現(xiàn)整體倒塌破壞，而無剪力墻的框架結(jié)構(gòu)在工況5時(shí)即發(fā)生整體倒塌破壞，且3.6 s時(shí)破壞程度已十分明顯。

3.3 最大層間位移對比

對未出現(xiàn)整體倒塌破壞的前4工況，對比有剪力墻和無剪力墻結(jié)構(gòu)各層的最大層間位移角如表1所示。由表1可見，在工況1、工況2和工況3時(shí)，有剪力墻結(jié)構(gòu)各層的最大層間位移角都小于無剪力墻結(jié)構(gòu)對應(yīng)各層的最大層間位移角。工況1時(shí)，有剪力墻結(jié)構(gòu)各層的最大層間位移角都在無剪力墻結(jié)構(gòu)的75%以內(nèi)，工況2時(shí)，有剪力墻結(jié)構(gòu)均在無剪力墻結(jié)構(gòu)的82%以內(nèi)，工況3時(shí)，有剪力墻結(jié)構(gòu)均在無剪力墻結(jié)構(gòu)的93%以內(nèi)。而在接近整體倒塌的工況4時(shí)，除第6～8層外，有剪力墻其它各層的最大層間位移角也都小于無剪力墻結(jié)構(gòu)。同時(shí)可見，在工況2之前，有、無剪力墻結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均小于建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的限值1/50；在工況3之后，有、無剪力墻結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均已超過了其限值1/50。

表1 工況1-工況4有、無剪力墻結(jié)構(gòu)各層最大層間位移角對比

4 結(jié) 論

基于LS-DYNA有限元對鋼管混凝土框架-帶豎縫鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，及不帶鋼板剪力墻的鋼管混凝土框架進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：

(1)按8度抗震設(shè)防的該鋼管混凝土框架-帶豎縫鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，在8度罕遇地震作用下(即工況2)其不會(huì)產(chǎn)生整體倒塌破壞，且其層間位移反應(yīng)能滿足規(guī)范要求。

(2)對鋼管混凝土框架-帶豎縫鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析時(shí)，帶縫鋼板剪力墻總是先于結(jié)構(gòu)其它部位出現(xiàn)破壞，隨加載地震波峰值增大，鋼板墻局部破壞程度明顯增強(qiáng)，且鋼板墻的破壞大致呈從下至上的順序。

(3)鋼管混凝土框架-帶豎縫鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的整體抗震能力明顯強(qiáng)于無剪力墻結(jié)構(gòu)，其工況6的3.6 s附近開始出現(xiàn)整體倒塌破壞，而無剪力墻的框架結(jié)構(gòu)在工況5時(shí)即發(fā)生整體倒塌破壞，且3.6s時(shí)破壞程度已十分明顯。對未出現(xiàn)整體倒塌破壞的前4工況，有剪力墻結(jié)構(gòu)各層的最大層間位移角基本都小于無剪力墻結(jié)構(gòu)。

(4)在鋼管混凝土框架-帶豎縫鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)遭受地震作用時(shí)，帶縫鋼板剪力墻起到了消能減震作用，從而阻止或延緩結(jié)構(gòu)其他部位的損傷或破壞，同時(shí)也擬制了結(jié)構(gòu)的側(cè)移反應(yīng)。

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