內(nèi)置鋼管混凝土組合剪力墻變形性能分析

李亞娥,曹　喆,汪凡凡,王子龍

(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州　730050)

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內(nèi)置鋼管混凝土組合剪力墻變形性能分析

李亞娥,曹喆,汪凡凡,王子龍

(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州730050)

摘要內(nèi)置鋼管混凝土組合剪力墻是一種新型組合剪力墻。運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對普通鋼筋混凝土剪力墻和內(nèi)置鋼管混凝土組合剪力墻兩種形式建立計(jì)算模型,進(jìn)行了在高軸壓比下的低周反復(fù)加載分析,研究其破壞形態(tài)、變形能力、滯回性能、應(yīng)變分布等變形性能。通過對比分析,得出內(nèi)置鋼管混凝土組合剪力墻具有較好的變形性能,并給出工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些建議。

關(guān)鍵詞剪力墻;鋼管混凝土;變形性能;高軸壓比;滯回曲線

剪力墻作為高層建筑結(jié)構(gòu)中的核心抗側(cè)力構(gòu)件,為了提高其抗震性能,可采用在普通鋼筋混凝土剪力墻中加入鋼骨[1-4],形成鋼-混凝土組合剪力墻的方法來提高其承載力與延性,進(jìn)而改善剪力墻的抗震性能[5],適用于高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)體系。近年來對于組合剪力墻的研究越來越多,剪力墻變形能力的好壞對結(jié)構(gòu)的安全特別是地震安全至關(guān)重要,在不同形式的鋼骨中,由于圓鋼管能夠?qū)軆?nèi)混凝土提供有效約束而具有較好的抗震效果[6]。楊光等[7]研究了邊緣構(gòu)件和截面中部配置多根鋼管的組合剪力墻。曹萬林等[8]研究了將圓鋼管設(shè)為邊框的剪力墻。而對于均布圓鋼管的組合剪力墻,目前的研究還較少。為此我們對內(nèi)置鋼管混凝土組合剪力墻與普通鋼筋混凝土剪力墻的變形性能進(jìn)行了對比分析研究。

1計(jì)算模型的確定

1.1模型尺寸

研究設(shè)計(jì)了2個(gè)剪力墻模型,1個(gè)普通鋼筋混凝土剪力墻模型(SW1)和1個(gè)內(nèi)置鋼管混凝土組合剪力墻模型(SW2),均按照一級剪力墻設(shè)計(jì)。模型均為矩形截面,截面高度為1 600 mm,截面厚度為200 mm,墻體高度為3 000 mm,截面高厚比為8.0,模型剪跨比為1.88,按照高墻設(shè)計(jì)。為了方便加載與實(shí)現(xiàn)嵌固,在墻體頂端設(shè)置加載所用的鋼性加載梁,在墻體底部設(shè)置固定所用的鋼性地梁。模型如圖1所示。

圖1　剪力墻模型Fig.1　Model of shear wall

1.2模型的建立

圖2　剪力墻模型截面配筋(mm)Fig.2　Reinforcement drawing of cross section of shear wall model(mm)

模型的鋼材力學(xué)性能主要參數(shù)見表1,其中,試件SW2的鋼管全截面含鋼率均為3.00%,設(shè)計(jì)軸壓比均超過了0.45,鋼管內(nèi)、外混凝土均按照C50級設(shè)計(jì),鋼筋和鋼管的本構(gòu)關(guān)系見表2。

表1　鋼材力學(xué)性能

表2　鋼材本構(gòu)關(guān)系定義

1.3確定軸壓比

關(guān)于鋼管混凝土組合剪力墻的軸壓比計(jì)算方法,現(xiàn)行規(guī)范中有三種規(guī)定,為了揭示軸壓比的影響,選用型鋼規(guī)程和冶標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。型鋼和冶標(biāo)中規(guī)定,用鋼骨混凝土剪力墻的軸壓比計(jì)算鋼骨的貢獻(xiàn),即考慮鋼管的貢獻(xiàn)。計(jì)算公式為

(1)

其中:N表示考慮地震作用組合時(shí)軸壓力設(shè)計(jì)值;fcc、fc分別表示鋼管內(nèi)、外混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度;fa表示鋼管的屈服強(qiáng)度;A表示全截面面積;Acc表示鋼管內(nèi)混凝土面積;Aa表示鋼管截面積;套箍指標(biāo)θ=faAa/fccAcc。計(jì)算設(shè)計(jì)軸壓比時(shí)材料強(qiáng)度均采用設(shè)計(jì)值,軸壓比限值規(guī)范中規(guī)定:一級時(shí),9度不宜大于0.4,7度、8度時(shí)不宜大于0.5;二級時(shí)不宜大于0.6。加載的軸壓力、設(shè)計(jì)軸壓比見表3,為大偏壓受力狀態(tài)。

表3 　軸壓力、設(shè)計(jì)軸壓比

1.4加載制度和加載曲線

首先加載軸向力,加載時(shí),一次均勻加到指定值,在模擬過程中保持不變,加載于上鋼梁截面形心位置;然后加載往復(fù)水平荷載,加載時(shí),水平荷載通過截面中心,采用循環(huán)往復(fù)加載,按照位移控制的模式分級進(jìn)行,加載制度如表4所列,其中1～4級為屈服前加載,5～10級為屈服后加載。屈服前每級循環(huán)1次,屈服后每級循環(huán)3次。模型的加載曲線如圖3所示。

2結(jié)構(gòu)模型分析

2.1模型加載過程

在高軸壓比設(shè)計(jì)下,SW1的最終破壞形態(tài)屬于典型的壓彎作用下大偏壓構(gòu)件受彎破壞。模型中未設(shè)置鋼管,因此破壞過程較為突然,模型因喪失承載力而破壞。SW1模型破壞如圖4(a)所示。SW2模型破壞如圖4(b)所示,破壞形態(tài)較為特殊,在極限荷載之前,它表現(xiàn)出典型的壓彎破壞特征,而在極限荷載之后,表現(xiàn)出類似開縫墻的破壞形態(tài),具體說來,剪切斜裂縫主要出現(xiàn)在墻體中間位置,特別是鋼管與鋼管之間的區(qū)域,大多數(shù)斜裂縫由水平彎曲裂縫向中間傾斜延伸形成,與水平方向夾角約45°,兩個(gè)方向斜裂縫基本對稱,鋼管對斜裂縫的發(fā)展有明顯的限制作用;鋼管保護(hù)層粘結(jié)裂縫出現(xiàn)在部分中部鋼管的保護(hù)層較薄處,是一系列較短的交叉斜裂縫,沿豎向平行分布。SW2在粘結(jié)裂縫處的混凝土保護(hù)層最終脫落破壞,形成類似于“分體柱”破壞模式。

表4　加載制度表

圖3　加載曲線Fig.3　Loading curve

圖4　模型破壞形態(tài)Fig.4　Ailure mode of model

2.2滯回曲線與骨架曲線

模型頂點(diǎn)水平力-位移滯回曲線如圖5所示。內(nèi)置鋼管混凝土組合剪力墻的滯回曲線比較飽滿,無明顯捏攏現(xiàn)象,表現(xiàn)出壓彎破壞特征。在模型開裂前,曲線基本保持了線彈性狀態(tài),無殘余變形;當(dāng)混凝土開裂后,抗側(cè)剛度迅速降低,卸載后出現(xiàn)殘余變形;到峰值荷載(位移角達(dá)到1/100)時(shí)滯回曲線穩(wěn)定,單圈面積明顯增大,表示耗能能力大幅上升。普通剪力墻在位移角達(dá)到1/75水平下第三圈加載時(shí)因受壓區(qū)突然破壞而加載結(jié)束;模型SW2在位移角達(dá)到1/50后出現(xiàn)了“分體柱”的模式,模型從整體墻過渡到了5個(gè)分體柱,位移角達(dá)到1/40時(shí),承載力已下降50%,幾乎完全依靠于鋼管承擔(dān)軸力和彎矩,在加載后期體現(xiàn)出較為穩(wěn)定的滯回性能,承載力穩(wěn)定,剪力墻的等效粘滯阻尼明顯提高,表現(xiàn)出較好的延性耗能能力,說明鋼管的作用很明顯。

圖5　頂點(diǎn)水平力-位移滯回曲線Fig.5　Top lateral load-displacement hysteretic curve

模型頂點(diǎn)骨架曲線如圖6所示。從圖6可以看出,加載初期兩個(gè)模型的骨架曲線趨勢基本吻合,在相同的高軸壓比的情況下,加入鋼管后剪力墻的承載力和延性都有了較為明顯的提高。

2.3變形能力與延性

表5是剪力墻變形與延性模擬結(jié)果,屈服位移Δy根據(jù)模型頂點(diǎn)水平力-位移骨架線按通用屈服彎矩法確定;峰值位移Δp是模型承載力達(dá)到峰值時(shí)頂點(diǎn)水平位移;極限位移Δu定義為模型承載力降低到85%峰值荷載時(shí)的位移,如果加載結(jié)束時(shí)承載力仍未降低到85%峰值荷載,則取最大加載位移來作為極限位移;位移角定義為θ=Δ/H,位移延性比定義為μ=Δu/Δy。

圖6　模型的骨架曲線Fig.6　Skeleton curve of model

模型編號加載方向屈服位移/mm屈服位移角/rad峰值位移/mm峰值位移角/rad極限位移/mm極限位移角/rad位移延性/mmSW1正向7.11/38718.21/15036.61/745.22反向6.61/42513.61/20135.91/755.63SW2正向9.51/28836.21/7555.41/495.89反向12.91/20935.91/7546.21/593.59

從表5可以看出,加入鋼管以后,剪力墻各階段變形值均有了較為明顯的提高,說明鋼管的存在有利于提高剪力墻變形能力。在模擬中,內(nèi)置鋼管混凝土組合剪力墻的屈服位移角約為1/330～1/220,峰值位移角為1/100～1/75,而極限位移角基本達(dá)到了1/50,極限變形能力比普通鋼筋混凝土剪力墻提高了25%左右?？梢哉f,內(nèi)置鋼管混凝土組合剪力墻在高軸壓比下的變形能力不僅滿足抗震要求(根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]的規(guī)定,鋼筋混凝土抗震墻的彈塑性位移角限值為1/120),而且與普通鋼筋混凝土剪力墻相比,具有更好的抗震性能。

3結(jié)論

通過普通鋼筋混凝土剪力墻模型和內(nèi)置鋼管混凝土組合剪力墻模型在高軸壓比下的低周反復(fù)加載對比分析,得到以下結(jié)論:

(1)內(nèi)置鋼管混凝土組合剪力墻的破壞過程更為平緩,鋼管對剪力墻的變形能力、破壞延性以及抗倒塌性能有較為明顯的提高作用。

(2)加入鋼管后,剪力墻最大加載位移明顯提高,表現(xiàn)出更好的延性,墻底混凝土的壓壞和鋼筋的壓屈程度明顯減輕,未出現(xiàn)墻體因受壓區(qū)混凝土壓碎而下沉的現(xiàn)象。

(3)鋼管的存在明顯提高了剪力墻的變形能力,在軸壓比相近的情況下,鋼管混凝土組合剪力墻的屈服位移角為1/330～1/220,峰值位移角為1/100～1/75,極限位移角達(dá)到了1/50,極限變形能力也比普通鋼筋混凝土剪力墻提高了25%左右。

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Deformation Performance Analysis of Composite Shear Wall of Concrete with Steel Tube Filled

Li Ya’e,Cao Zhe,Wang Fanfan,Wang Zilong

(SchoolofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China)

AbstractThe composite shear wall of concrete with steel tube filled involves the new composite shear wall. The shear wall of the ordinary reinforced concrete and the composite shear wall of concrete with steel tube filled were subjected to the low cyclic repeated loading analysis in presence of high axial compression ratio after setting up the calculation model by using ABAQUS finite element software in order to research the deformation performance thereof,such as failure mode,deformation capability,hysteretic behavior,strain distribution,etc. Moreover,that the composite shear wall of concrete with steel tube filled had excellent deformation performance was concluded,and some suggestions in design of engineering structure were proposed through comparative analysis.

Key wordsShear wall;Concrete with steel tube filled;Deformation performance;High axial;Hysteretic currve

中圖分類號:TU398+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1004-0366(2016)01-0115-05

作者簡介:李亞娥(1965-),女,陜西西安人,副教授,碩士生導(dǎo)師,國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師,研究方向?yàn)閺?fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu).E-mail:caojj358@126.com.

收稿日期:2014-10-25;修回日期:2014-12-24.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.01.025.

引用格式:Li Ya’e,Cao Zhe,Wang Fanfan,etal.Deformation Performance Analysis of Composite Shear Wall of Concrete with Steel Tube Filled[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(1):115-119.[李亞娥,曹喆,汪凡凡,等.內(nèi)置鋼管混凝土組合剪力墻變形性能分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(1):115-119.]