鋼管混凝土剪力墻鋼板耗能鍵的參數(shù)設計*

王海軍， 呂叢叢， 魏　華

(沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

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鋼管混凝土剪力墻鋼板耗能鍵的參數(shù)設計*

王海軍， 呂叢叢， 魏華

(沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

為了分析鋼板耗能鍵的厚度、布置間距和跨高比對鋼管混凝土剪力墻的影響，通過采用ABAQUS有限元分析軟件，在低周往復荷載下，建立與試驗對應的有限元模型.對不同參數(shù)試件進行了數(shù)值模擬分析，得出了不同參數(shù)的應力云圖及骨架曲線.結果表明，鋼管混凝土剪力墻的承載力和剛度與鋼板耗能鍵的厚度、布置數(shù)量成正比，與跨高比成反比；該組合結構的延性隨鋼板耗能鍵厚度的增加、布置數(shù)量的增多而減小，隨跨高比的增大而提高，為工程實踐的參數(shù)設計提供了參考.

鋼板耗能鍵； 鋼管混凝土剪力墻； 承載力； 骨架曲線； 低周往復加載； 數(shù)值模擬； 極限位移； 應力云圖

本文利用有限元軟件ABAQUS，在驗證試驗典型模型的基礎上，分析了鋼板耗能鍵的厚度、布置與間距、跨高比三個因素的影響，為工程實踐的參數(shù)設計提供了參考.

1　有限元模型的建立

1.1模擬構件概況

有限元模型中的部件尺寸見文獻[7]中試件CFW-2，方鋼管混凝土柱的尺寸為160 mm×160 mm×5 mm，鋼板厚度為5 mm，試件所用混凝土均采用C40，鋼管和鋼板均采用Q235鋼材，鋼筋采用二級鋼HRB335，材料強度均采用設計值.

1.2材料本構關系

1.3單元選取及網格化分

模型采用結構化網格劃分技術，并選用中性軸算法，以便得到較規(guī)則的六面體單元，混凝土采用8節(jié)點線性減縮積分三維實體單元(C3D8R).在施加位移荷載時，線性減縮積分單元可得到較高的計算精度.鋼管及鋼板采用殼單元S4R，鋼筋選用2節(jié)點線性桁架單元T3D2.在保證精度的原則下，分別對不同部位劃分合適密度的網格.網格劃分情況如圖3所示.

圖1　混凝土應力應變曲線

圖2　鋼材應力應變曲線

圖3　CFW-2網格劃分示意圖

1.4接觸模擬

接觸面定義為硬接觸，切向摩擦定義為庫倫摩擦模型，滑移系數(shù)為0.5[10]，鋼板耗能鍵與方鋼管混凝土柱、鋼管混凝土排柱與加載梁和基礎梁均采用綁定約束.豎向荷載分兩個分析步施加到加載梁上，避免接觸狀態(tài)發(fā)生劇烈變化，保證收斂的運行.

1.5邊界條件及加載方式

模型的基礎梁底部為固端全約束，限制其6個方向的自由度，剪力墻頂面自由.在加載梁頂部施加軸向荷載，側端施加水平位移荷載.通過兩個參考點與加載面耦合來施加荷載，在STEP模塊中對應了豎向加載和水平加載兩個加載步，具體邊界條件和加載方式如圖4所示.

圖4　加載方式及邊界條件

2　試驗模型

圖5　CFW-2試驗與模擬破壞形態(tài)

圖6　CFW-2試驗與模擬骨架曲線

3　參數(shù)分析

為了研究不同因素對帶鋼板耗能鍵的鋼管混凝土剪力墻的影響，以驗證的有限元分析模型為基礎，建立用于參數(shù)分析的基本模型.選取了可能影響結構受力性能的3個主要參數(shù)：鋼板耗能鍵的厚度、布置與間距、跨高比，分別設計了3個系列總計12個有限元分析模型，并對以上模型進行了低周往復加載模擬.

3.1鋼板耗能鍵厚度的影響

鋼板設計為4、5、6 mm三個不同厚度的模擬試件，分析鋼板耗能鍵的厚度對組合結構的影響，試件編號依次為HFPW-1、HFPW-2、HFPW-3，鋼材為Q235，各模擬試件的組成部件參數(shù)為：鋼管混凝土柱尺寸為140 mm×140 mm×4 mm，鋼材為Q235；鋼板耗能鍵的尺寸為160 mm×160 mm×5 mm.模擬所得3個試件的應力云圖、骨架曲線對比圖如圖7、8所示，不同試件具體的承載力、剛度和延性比等數(shù)據(jù)如表1所示.

模擬試件的具體性能比較如下：

1) 試件HFPW-1承載力、剛度相對較小，延性性能較好，通過云圖顏色分布可以看出，鋼板耗能鍵出現(xiàn)了較重的屈服形態(tài)，說明方鋼管混凝土柱受鋼板約束相對較弱，結構主要以剪切變形為主；

2) 試件HFPW-2與HFPW-1相比較，承載力提高了8.05%，延性減小，方鋼管混凝土柱受到鋼板的約束作用增強，結構主要以剪切變形為主；

圖7　不同厚度應力云圖

圖8　不同厚度試件骨架曲線對比

3) 試件HFPW-3比HFPW-1的承載力提高11.11%，延性進一步減小，方鋼管混凝土柱受鋼板的約束作用增大，結構主要以彎剪變形為主.

鋼管混凝土剪力墻結構的剛度和承載力與鋼板的厚度成正比，延性的變化與鋼板的厚度成反比，鋼板耗能鍵厚度與鋼管混凝土柱的合理匹配存在優(yōu)化的問題，因此，鋼板的厚度宜控制在5～6 mm之間.

表1　不同鋼板厚度模擬結果

3.2鋼板耗能鍵布置與間距

本文設計了6個不同布置與間距的鋼板耗能鍵模擬試件，分析了鋼板耗能鍵的布置位置對鋼管混凝土剪力墻的影響，試件編號依次為MFPW-1，MFPW-2、MFPW-3、MFPW-4、MFPW-5、MFPW-6，分別代表不設鋼板耗能鍵試件、沿高居中設1、2、3、4、5道鋼板耗能鍵試件.鋼管混凝土柱尺寸為140 mm×140 mm×4 mm，鋼板耗能鍵的尺寸為160 mm×160 mm×5 mm，鋼材為Q235.模擬所得6個試件的應力云圖、骨架曲線對比圖如圖9、10所示，不同試件的承載力、剛度和延性比等數(shù)據(jù)如表2所示.

模擬試件的性能比較如下：

1) 試件MFPW-1，無鋼板耗能鍵，剛度與承載力較小，但變形能力較強，通過云圖顏色分布可以看出，方鋼管混凝土柱的柱頂與柱底屈服比較明顯，總體以剪切變形為主；

2) 試件MFPW-2，設1道鋼板耗能鍵，比MFPW-1的承載力提高了16.39%，剛度增大34%，延性下降，鋼板對角線位置屈服明顯，鋼管混凝土柱的柱頂、柱底屈服加重，總體以剪切變形為主；

3) 試件MFPW-3，設2道鋼板耗能鍵，比MFPW-2的承載力提高了14.63%，剛度增大26.4%，延性下降明顯，鋼板耗能鍵的損傷屈服程度比MFPW-2輕，鋼管混凝土柱的柱頂、柱底屈服嚴重，總體以彎剪變形為主；

4) 試件MFPW-4，設3道鋼板耗能鍵，比MFPW-3的承載力提高了11.17%，剛度提高的幅度不大，延性與鋼板耗能鍵損傷屈服程度接近試件MFPW-3，總體以彎曲變形為主；

5) 試件MFPW-5，設4道鋼板耗能鍵，比MFPW-4的承載力提高了3.4%，剛度提高的幅度不大，延性接近試件MFPW-4，鋼板屈服程度比MFPW-4略輕，混凝土柱的柱頂、柱底屈服嚴重，總體以彎曲變形為主；

圖9　不同布置與間距的應力云圖

圖10　不同布置與間距試件骨架曲線對比

6) 試件MFPW-6，設5道鋼板耗能鍵，比MFPW-5的承載力提高了5.6%，延性降低，鋼板耗能鍵的屈服程度比MFPW-5輕，鋼管混凝土邊柱的屈服程度較明顯，總體以彎曲變形為主.

鋼管混凝土剪力墻隨著鋼板數(shù)量的增加，提高的幅度逐漸減小，延性與鋼板的數(shù)量成反比，鋼板耗能鍵宜選3～5，即可達到組合結構的要求.

3.3鋼板耗能鍵跨高比

設計3個2道1層跨高比分別為1.0、1.5和2.0鋼板耗能鍵的模擬試件，分析鋼板耗能鍵的跨高比對組合結構的影響，試件編號依次為KFPW-1、KFPW-2、KFPW-3，鋼板的尺寸分別為160 mm×160 mm×5 mm、160 mm×107 mm×5 mm、160 mm×80 mm×5 mm，鋼管混凝土柱尺寸為140 mm×140 mm×4 mm，鋼管內混凝土為

表2　不同布置與間距鋼板的模擬結果

C40，鋼材為Q235.模擬所得3個試件的應力云圖、骨架曲線對比圖如圖11、12所示，不同試件的承載力、剛度和延性比等數(shù)據(jù)如表3所示.

各試件的具體分析如下：

1) 試件KFPW-1，承載力與剛度相對比較大，延性較小，方鋼管混凝土排柱受鋼板的約束作用比較強，總體以彎剪變形為主；

2) 試件KFPW-2，比KFPW-1的承載力降低了9.74%，達到極限荷載時的位移為18.6%，方鋼管混凝土排柱受鋼板的約束作用減小，呈現(xiàn)出強柱弱梁的特點，總體以彎剪變形為主；

3) 試件KFPW-3，比KFPW-2的承載力降低10.45%，方鋼管混凝土排柱受鋼板的約束作用較弱，呈現(xiàn)出強柱弱梁的特點，總體以剪切變形為主.

圖11　不同跨高比應力云圖

圖12　不同跨高比試件骨架曲線對比

鋼管混凝土剪力墻結構的剛度和承載力與鋼板耗能鍵跨高比成反比，但減小的幅度隨鋼板的跨高比增加而逐步降低；延性與鋼板耗能鍵跨高比成正比.對于鋼板跨高比較小的結構，剛度比較大，方鋼管混凝土柱受鋼板的約束作用比較明顯，但延性能力相對較低，因此，鋼板的跨高比不能小于1.0.

表3　不同鋼板耗能鍵跨高比組合結構的模擬結果

4　結　論

本文通過采用ABAQUS，建立了合理的有限元模型，并分析了不同厚度、不同布置與間距、不同跨高比的鋼板耗能鍵對鋼管混凝土剪力墻結構的影響，為帶鋼板耗能鍵的鋼管混凝土剪力墻的設計提供了參考.

1) 鋼管混凝土剪力墻結構的剛度和承載力與鋼板的厚度成正比，延性的變化與鋼板的厚度成反比，鋼板耗能鍵厚度與鋼管混凝土柱的合理匹配存在優(yōu)化的問題.

2) 鋼管混凝土剪力墻的剛度和承載力與鋼板數(shù)量成正比，隨鋼板數(shù)量增加，提高幅度減??；延性與鋼板數(shù)量成反比.合理設計鋼板位置與間距，雖不具有最高的承載力和剛度，但延性和鋼板彈塑性耗能能力顯著，有利于抗震，因此不建議選取很密的鋼板.

3) 鋼管混凝土剪力墻結構的剛度和承載力與鋼板跨高比成反比，減小的幅度隨鋼板跨高比增加而降低；延性與鋼板耗能鍵跨高比成正比.對于鋼板跨高比較小的結構，剛度比較大，方鋼管混凝土柱受鋼板的約束作用比較明顯，但延性能力相對較低.

研究結果表明，帶鋼板耗能鍵的鋼管混凝土剪力墻的承載力、剛度、延性比都較合適，抗震性能良好；鋼板耗能鍵設計參數(shù)應合理匹配，以充分發(fā)揮出方鋼管混凝土排柱與鋼板耗能鍵協(xié)同工作優(yōu)勢，用于高層建筑結構.

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(責任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Parameter design of steel plate energy dissipation bonds of concrete filled steel tube shear wall

WANG Hai-jun, Lü Cong-cong, WEI Hua

(School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to analyze the influence of the thickness, arrangement distance and span-depth ratio of steel plate energy dissipation bonds on the concrete filled steel tube shear wall, a finite element model corresponding to the test was established under the low cyclic loading condition and through using ABAQUS finite element analysis software. The numerical simulation and analysis for the specimens with different parameters were perfomed, and the stress contour and skeleton curves of different parameters were obtained. The results show that the bearing capacity and stiffness of concrete filled steel tube shear wall are proportional to the thickness and arrangement number of steel plate energy dissipation bonds, and are inversely proportional to the span-depth ratio. Moreover, the ductility of the composite structure reduces with increasing the thickness and arrangement number of steel plate energy dissipation bonds, and increases with increasing the span-depth ratio, which provides the references for the parameter design in engineering practice.

steel plate energy dissipation bond; concrete filled steel tube shear wall; bearing capacity; skeleton curve; low cyclic loading; numerical simulation; ultimate displacement; stress contour

2015-09-01.

沈陽市科技計劃項目(F13-316-1-43).

王海軍(1972-)，男，河北河間人，教授，主要從事結構工程等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.01.18

TU 398

A

1000-1646(2016)01-0102-07

*本文已于2015-12-07 16∶18在中國知網優(yōu)先數(shù)字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20151207.1618.030.html