帶縫鋼板外包混凝土剪力墻性能研究

俞福利,蔣 路,王偉棟

(1.西安建筑科技大學(xué),陜西西安710055;2.同濟(jì)大學(xué),上海201900;3.寶鋼股份研究院(技術(shù)中心),上海201900)

0 前 言

帶縫鋼板墻(steel plate shear wall with slits,簡稱SPWS)最早由日本學(xué)者Hitaka[1]等提出,是指在鋼板上開設(shè)一系列豎縫形成的抗側(cè)構(gòu)件。帶縫鋼板墻可以通過豎縫調(diào)節(jié)剛度和承載力,結(jié)構(gòu)布置靈活,適用于高烈度區(qū),具有較好的延性和耗能能力。但實驗和大量的有限元分析發(fā)現(xiàn),在發(fā)生整體屈曲后,帶縫鋼板墻的延性和耗能指標(biāo)將有所降低,為延緩、解決帶縫鋼板墻面外屈曲,同時解決鋼板墻建筑防火、消除鋼板的響聲等問題,提出外包混凝土帶縫鋼板墻的構(gòu)想并對其進(jìn)行有限元分析研究。

帶縫鋼板墻外包混凝土是指在帶縫鋼板墻兩側(cè)澆注一定厚度的鋼筋混凝土板而形成的組合墻體,通過貫穿與縫間的拉結(jié)筋將兩側(cè)混凝土板相連,使得外包混凝土板約束內(nèi)置鋼板的整體屈曲。外包混凝土板同時還能解決鋼板墻建筑防火、消除鋼板的響聲等問題。2003年Hitaka[1]和Matsui對4組10片1/3和1/4縮尺比例的帶豎縫鋼板剪力墻進(jìn)行了試驗研究,通過對鋼板寬厚比、豎縫設(shè)置位置和尺寸、鋼板有無加勁肋和外包砂漿板等試驗參數(shù)的分析表明:外包砂漿板的帶縫鋼板剪力墻,在最大層間側(cè)移角達(dá)到3%時,滯回曲線仍然未見明顯降低,剛度、承載力、延性以及滯回性能等方面較加勁肋的鋼板墻有更優(yōu)越的性能。1995年,同濟(jì)大學(xué)李國強(qiáng)、張曉光、沈祖炎[2]通過對3個鋼板外包混凝土剪力墻試件和1個純鋼板剪力墻試件的模型試驗表明,鋼板外包混凝土剪力墻與鋼板剪力墻相比,具有良好的穩(wěn)定性能和延性性能,同時剛度和強(qiáng)度也大大提高。清華大學(xué)郭彥林教授提出一種新型鋼板外包混凝土墻——防屈曲鋼板剪力墻[3],它由內(nèi)嵌鋼板及兩側(cè)的預(yù)制混凝土蓋板構(gòu)成,并做了7個不同試件的試驗研究,試驗表明防屈曲鋼板剪力墻比一般組合鋼板剪力墻、純鋼板剪力墻在極限承載力、滯回特性、延性方面得到了很好的改善,并且混凝土板在加載過程中始終完好。

2006年,寶鋼Living Steel項目部對帶縫鋼板墻進(jìn)行了專題研究[4]。目前,該課題組已完成兩批足尺寸SPWS試件的低周往復(fù)加載試驗,第一批試驗結(jié)果表明,有混凝土外包的帶縫鋼板墻在初始剛度、極限承載力均有所提高,外包混凝土對鋼板整體屈曲起到了一定延緩作用,鋼板墻表現(xiàn)出更好的延性和耗能能力。

本文采用有限元軟件ANSYS,對12 mm厚純帶縫鋼板墻(SPWS)和鋼板外包混凝土墻(C-SPWS)兩個模型進(jìn)行了數(shù)值模擬,對比分析了外包混凝土對鋼板墻初始剛度、極限承載力、延性和耗能方面的影響,得出帶縫鋼板外包混凝土組合墻體的一些有價值結(jié)論。

1 建立有限元模型

分析模型的幾何尺寸同寶鋼帶縫鋼板剪力墻試驗構(gòu)件[5]。純帶縫鋼板墻分析模型參數(shù)如圖1(a)所示。C-SPWS主鋼板與SPWS完全相同,只是在鋼板墻兩側(cè)外包2 000 mm×1 910 mm×44 mm鋼筋混凝土板,板內(nèi)布置的Φ 6@210鋼筋網(wǎng)(圖1(b)),單層雙向配筋板內(nèi),配筋率均為0.01。

圖1 模型尺寸參數(shù)

使用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行分析。本文涉及鋼材、鋼筋和混凝土3種材料。鋼板的單元類型采用solid185;鋼板和鋼筋本構(gòu)取理想彈塑性模型,鋼材為Q235,屈服應(yīng)力取為fy=235 MPa,彈性模量E=2.06×105MPa,本構(gòu)關(guān)系如圖2(a);屈服準(zhǔn)則采用VonMises屈服準(zhǔn)則?；炷敛捎胹olid65,本構(gòu)關(guān)系則用單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線(Hognestad模型)[6],混凝土彈性模量E=2.8×104MPa,單軸抗壓fc=16.7MPa,單軸抗拉ft=1.78 MPa,本構(gòu)關(guān)系如圖2(b);破壞準(zhǔn)則采用Willam-Warnker五參數(shù)模型,分析中沒有考慮混凝土的壓碎,即采用W-W五參數(shù)模型時,單軸抗壓強(qiáng)度取-1;采用整體式建模方法建立混凝土模型,單層雙向配筋,配筋率按實驗采用。

圖2 材料模型圖

用ANSYS中的接觸單元來模擬考慮混凝土和鋼板之間相互作用,鋼板前后兩個面采用CONTAC174單元,混凝土內(nèi)表面采用目標(biāo)單元TARGE170模擬。按照試驗試件設(shè)計要求,鋼板和混凝土板用一層機(jī)油隔開,分析過程中不考慮混凝土板和鋼板之間摩擦作用,即接觸面只傳遞法向壓力,切向摩擦力為0。對鋼板與混凝土板連接模擬采用節(jié)點自由度耦合,三者始終同時工作。

模型邊界條件:鋼板底部約束全部自由度,頂端約束UZ,ROTX,同時耦合UX、UY。最終模型如圖3所示。

圖3 有限元模型圖

2 有限元分析

2.1 抗剪承載力和彈性剛度

圖4為承載力和剛度曲線。由圖可知,鋼板墻外包混凝土后抗剪極限承載能力和彈性剛度分別提高了54%和16.7%。提高原因分析如下:

剛度:加載前期,由于混凝土板和鋼板之間不考慮摩擦,在層間轉(zhuǎn)角很小的情況下,混凝土對鋼板墻的前期剛度貢獻(xiàn)不大。

承載力:混凝土板抑制了鋼板的整體屈曲和局部小柱的屈曲,鋼板墻始終處于面內(nèi)受力,使得鋼板墻充分的進(jìn)入塑性;鋼板墻隨著層間位移的不斷加大,混凝土跟著鋼板一起移動,出現(xiàn)一定程度上的剪切變形,所以對SPWS抗剪極限承載力上有所貢獻(xiàn)。

圖4 承載力剛度曲線

2.2 整板屈曲變形

對模型進(jìn)行單調(diào)加載分析。圖5為層間位移角為θ=1/200、θ=1/30時模型的面外變形結(jié)果。由圖5可知,鋼板墻外包混凝土后整體面外變形由58mm減小到4.5mm,顯著減小,混凝土板有效地約束了鋼板面外變形,由此可知,外包混凝土板改變了SPWS的屈曲模式,由原來的整板屈曲模式變成局部小柱屈曲為主,即使得SPWS的屈曲模態(tài)向高階模態(tài)推移,屈曲荷載必然有所提高且受力的均勻性更好[7]。

圖5 SPWS和C-SPWS的面外位移云圖對比

2.3 延性和耗能

對以上建立的SPWS和C-SPWS模型進(jìn)行同一循環(huán)荷載下加載分析,得出如圖6滯回曲線。由圖6(a)中可知,SPWS在50 mm荷載級下滯回環(huán)開始出現(xiàn)“捏攏”現(xiàn)象,主要是SPWS在加載過程中出現(xiàn)較明顯的整板屈曲造成的。C-SPWS由于有外包混凝土約束面外變形,沒有出現(xiàn)明顯的整板屈曲變形,滯回曲線未出現(xiàn)捏攏現(xiàn)象而更為飽滿(圖6(b))。

圖6 循環(huán)荷載作用下滯回曲線

圖7是層間轉(zhuǎn)角分別為 θ=1/300、θ=1/30時模型Von Mises應(yīng)力云圖對比。加載前期,SPWS應(yīng)力發(fā)展主要集中在縫端(圖7(a)),并以縫端為中心比較均勻的向外擴(kuò)散,達(dá)到極限荷載時,縫間小柱中部區(qū)域也未達(dá)到屈服,而C-SPWS由于混凝土板的側(cè)向約束作用,起初也主要在縫端應(yīng)力集中,可是隨著層間轉(zhuǎn)角的增大,屈服趨勢由縫端向中部延伸(圖7(b)),塑性發(fā)展更加充分,使得小柱抗彎承載力繼續(xù)小幅度提高,屈服區(qū)域明顯大于SPWS,所以在極限承載力上,C-SPWS會大于SPWS。

圖7 SPWS和C-SPWS的應(yīng)力云圖對比

3 結(jié) 論

本文通過有限元軟件對12 mm厚純帶縫鋼板墻(SPWS)和帶縫鋼板外包混凝土墻(C-SPWS)兩個模型進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到以下結(jié)論:

(1)帶縫鋼板墻外包混凝土后抗剪承載力和彈性初始剛度將顯著提高;

(2)混凝土板對鋼板整體屈曲能起到良好的約束效果,帶縫鋼板墻滯回曲線的捏攏現(xiàn)象有了明顯改善,塑性發(fā)展更加充分,抗震性能有所提高。

[1]Hitaka Toko,Matsui Chiaki.Experimental study on steel shear wall with slits[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,2003,129(5):586-594.

[2]李國強(qiáng),張曉光,沈祖炎.鋼板外包混凝土剪力墻板抗剪滯回性能試驗研究[J].工業(yè)建筑,1995,25(6):32-35.

[3]郭彥林,董全利,周 明.防屈曲鋼板剪力墻滯回性能理論與試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2009,30(1):31-39,47.

[4]寶山鋼鐵股份有限公司.同濟(jì)大學(xué).北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工業(yè)有限公司.帶縫鋼板剪力墻研究[R].上海:同濟(jì)大學(xué),2008.

[5]蔣路,陳以一,汪文輝,等.足尺帶縫鋼板剪力墻低周往復(fù)加載試驗研究I[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2009,30(5):57-64.

[6]梁興文,王社良,李曉文.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[7]郭彥林,董全利,周 明.防屈曲鋼板剪力墻彈性性能及混凝土蓋板約束剛度研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2009,30(1):40-47.