一種新型組合剪力墻抗震性能ABAQUS分析★

于傳鵬 曹萬林 黃友強(qiáng) 董宏英 劉 嗥

(1.國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100095； 2.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

一種新型組合剪力墻抗震性能ABAQUS分析★

于傳鵬1曹萬林2*黃友強(qiáng)1董宏英2劉 嗥2

(1.國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100095； 2.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

采用ABAQUS軟件，建立了適應(yīng)鋼管混凝土邊框內(nèi)置分塊鋼板組合剪力墻構(gòu)造特點(diǎn)的有限元模型，并對該新型組合剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈塑性分析，結(jié)果表明：采用新型剪力墻可達(dá)到建筑物沿高度變承載力、變剛度的目的，綜合抗震效果好。

組合剪力墻，ABAQUS，抗震性能，承載力

0 引言

鋼—混凝土組合剪力墻作為高層建筑的主要抗側(cè)力構(gòu)件，承擔(dān)著大部分水平地震作用，研發(fā)高性能組合剪力墻是目前抗震設(shè)計(jì)中極為關(guān)注的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題，相關(guān)學(xué)者對此進(jìn)行了研究。楊光、趙作周等進(jìn)行了1個(gè)雙鋼管混凝土邊框內(nèi)藏雙鋼管混凝土暗柱組合剪力墻以及1個(gè)單鋼管混凝土邊框內(nèi)藏多根分散單鋼管暗柱剪力墻試件在高軸壓比下的抗震試驗(yàn)，表明：與普通剪力墻相比，兩種新型剪力墻抗震耗能能力均有所提高，第一種帶雙鋼管混凝土剪力墻性價(jià)比最好[1]。聶建國等研究了高剪跨比、高軸壓比下的雙鋼板剪力墻的抗震性能，分析了雙鋼板剪力墻的變形能力，給出了承載力計(jì)算公式[2-4]。曹萬林等進(jìn)行了5個(gè)鋼管混 凝土邊框內(nèi)藏斜撐肋鋼板中高剪力墻抗震性能試驗(yàn)，研究表明：這種墻體適宜在“強(qiáng)邊框、弱墻體”情況下應(yīng)用，可明顯減輕邊框鋼管底部損傷，延緩墻體性能退化，提高組合剪力墻的抗震能力[5]。

本文所提新型剪力墻：鋼管混凝土邊框內(nèi)置分塊鋼板組合剪力墻。它由鋼管混凝土邊框，型鋼暗柱、分塊鋼板及鋼筋混凝土墻體四部分組合而成。小震時(shí)，鋼筋混凝土墻體作為第一道抗震防線分災(zāi)耗能，延緩核心結(jié)構(gòu)損傷；中震時(shí)，分塊鋼板作為第二道防線消能減震；大震時(shí)，型鋼柱作為第三道防線保證震后穩(wěn)定。圖1為鋼管混凝土邊框內(nèi)置分塊鋼板組合剪力墻核心結(jié)構(gòu)示意圖。

1 模型試件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了4種不同構(gòu)造的鋼管混凝土邊框內(nèi)置分塊鋼板組合剪力墻試件，墻厚100，墻高960 mm，墻寬740 mm，墻體橫向豎向鋼筋均為Φ4@100。邊框鋼管均采用□140×4的Q345方鋼管，中部暗柱均采用H140×60×8×10的Q345H型鋼，分塊鋼板采用Q235鋼材(板厚為4)，混凝土強(qiáng)度C45。各試件區(qū)別在于型鋼暗柱與鋼管邊框柱之間的聯(lián)系形式，其中CFWB1不設(shè)置分塊鋼板(柱間無聯(lián)系)，CFWB2沿高均勻設(shè)置2道分塊鋼板，CFWB3沿高均勻設(shè)置3道分塊鋼板，CFWB4沿高焊接整體鋼板。試件材性見表1，表1中fy為屈服強(qiáng)度，fu為極限強(qiáng)度，Es為彈性模量。

表1 鋼材力學(xué)性能 MPa

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

1)本構(gòu)模型。利用ABAQUS6.11-1對鋼管混凝土邊框內(nèi)置分塊鋼板組合剪力墻進(jìn)行彈塑性有限元分析。鋼材的本構(gòu)參照規(guī)范[6]，采用二折線理想等向彈塑性模型；混凝土采用ABAQUS提供的損傷塑性模型，受壓應(yīng)力σ—應(yīng)變?chǔ)徘€如圖2所示。

2)單元選取與網(wǎng)格劃分。邊框鋼管、型鋼暗柱、分塊鋼板及混凝土均采用8節(jié)點(diǎn)三維減縮積分實(shí)體單元C3D8R，并采用六面體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，鋼筋采用2節(jié)點(diǎn)的三維桁架單元T3D2，基礎(chǔ)、加載梁為剛體，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

3)接觸模擬。鋼管邊框與混凝土墻體接觸界面的法向采用“硬接觸”，切向采用庫侖摩擦模型，摩擦系數(shù)取0.2；上下端的部分邊框鋼管和型鋼中柱、鋼板深梁、鋼筋網(wǎng)片嵌入(embedded)整體模型中；混凝土墻體及邊框鋼管核心混凝土與剛性基礎(chǔ)、剛性加載梁的接觸面采用綁定(tie)約束。

4)邊界條件與加載。剛性基礎(chǔ)的底端完全固接；加載時(shí)，在第一個(gè)分析步中先將豎向荷載施加于加載梁，并在隨后整個(gè)水平加載過程中保持不變；在第二個(gè)分析步中的水平荷載采用頂部位移控制，將水平位移采用一次性加載的方式施加于加載梁中部至1/50位移角結(jié)束，此時(shí)已達(dá)到規(guī)范允許鋼筋混凝土剪力墻極限彈塑性位移角的2.4倍。模型最終建立形態(tài)如圖4所示。

2.2 計(jì)算分析

2.2.1 特征荷載與骨架曲線

模擬所得特征荷載如表2所示，承載力增幅曲線如圖5所示，模擬骨架曲線如圖6所示。其中，F(xiàn)y為試件屈服荷載；Fu為試件極限荷載；F1為CFWB1的極限荷載；U為試件頂點(diǎn)水平位移，內(nèi)置鋼板用鋼率定義為，分塊鋼板(或整體鋼板)用鋼體積與剪力墻總用鋼體積之比值，4試件分別對應(yīng)為0,3.17%,4.68%,10.61%。

表2 屈服荷載和極限荷載

試件編號Fy/kNFu/kN實(shí)測值比率實(shí)測值比率Fy/FuCFWB1283．671．000329．971．0000．861CFWB2336．151．185393．691．1930．854CFWB3390．801．378460．711．3960．848CFWB4480．291．693546．121．6550．879

由表2，圖5，圖6可知：1)CFWB1分塊鋼板用鋼為0，CFWB2比CFWB1分塊鋼板用鋼多3.17%，結(jié)果CFWB2較CFWB1屈服荷載提高18.50%，承載力提高19.30%，表明：通過增設(shè)分塊鋼板來提高剪力墻特征荷載的效果是明顯的。2)從圖5可以看出，從CFWB1至CFWB2，CFWB2至CFWB3，CFWB3至CFWB4，三段直線斜率不同，其中以CFWB2至CFWB3直線段斜率最大，表明分塊鋼板存在最優(yōu)化布置問題，CFWB3布置較為合理。3)CFWB3的屈強(qiáng)比最小，強(qiáng)度保證率較高。4)CFWB3分塊鋼板用鋼為CFWB4整體鋼板用鋼的44.13%，承載力卻達(dá)到了CFWB4的84.36%，表明分塊鋼板剪力墻較整體鋼板剪力墻性價(jià)比更好。5)從圖6可以看出，1/50位移角時(shí)，4試件承載力均未下降，表明有約束的彈塑性變形時(shí)段較長，屈服延性耗能能力較好。6)綜上，內(nèi)置鋼板的用鋼對剪力墻整體抗震性能影響明顯。

2.2.2 云圖分析

各試件的鋼構(gòu)應(yīng)力云圖對比與混凝土損傷云圖對比如圖7所示。其中，圖7a)為CFWB1鋼構(gòu)應(yīng)力云圖；圖7b)為CFWB1混凝土墻體損傷云圖；圖7c)為CFWB2鋼構(gòu)應(yīng)力云圖；圖7d)為CFWB2混凝土墻體損傷云圖；圖7e)為CFWB3鋼構(gòu)應(yīng)力云圖；圖7f)為CFWB3混凝土墻體損傷云圖；圖7g)為CFWB4鋼構(gòu)應(yīng)力云圖；圖7h)為CFWB4混凝土墻體損傷云圖。

由圖7可知：1)鋼管混凝土邊框內(nèi)置分塊鋼板剪力墻CFWB2,CFWB3在鋼管邊框、型鋼柱與混凝土墻體連接界面處形成了4條明顯的豎向損傷條帶，由于分塊鋼板的存在，使其變形特性介于整體剪力墻和帶豎縫剪力墻之間，并克服了其承載力小的不足，保持了帶豎縫剪力墻延性好的優(yōu)勢。2)CFWB2較CFWB1柱子端部的損傷明顯減輕；分塊鋼板沿45°方向損傷變形屈服，消耗了地震能量，有效的保護(hù)了鋼管邊框與型鋼暗柱。3)CFWB1，CFWB2的混凝土墻體在中部高度位置均有損傷，CFWB1較CFWB2損傷嚴(yán)重，這是由于其核心鋼構(gòu)部分較弱，對鋼筋混凝土墻體約束作用不強(qiáng)，墻體的整體性、各部件的協(xié)同工作性能均不如CFWB2。4)CFWB3比CFWB4柱腳的損傷輕，分塊鋼板雖較整體鋼板用鋼量少，但卻起到了“強(qiáng)型鋼柱、弱鋼板梁”的作用，抗震分災(zāi)作用更好。5)核心結(jié)構(gòu)最強(qiáng)試件CFWB4的混凝土墻體部分幾乎無損傷，各組合部件之間承載力、剛度、延性不匹配，混凝土墻體作為第一道抗震防線的耗能能力未得到充分發(fā)揮，對抗震不利。

2.3 工程適用性分析

為研究鋼管混凝土邊框內(nèi)置分塊鋼板組合剪力墻的工程適用性，設(shè)計(jì)了一集鋼桁架、分塊鋼板、整體鋼板三種不同抗震形式為一體的組合剪力墻核心骨架模型，可沿建筑物高度變承載力、變剛度，且節(jié)省鋼材，設(shè)計(jì)圖及有限元建模如圖8所示。

仍采用頂部位移控制的加載方式，至1/50位移角結(jié)束，加載至1/100位移角時(shí)應(yīng)力云圖如圖9a)所示，1/50位移角時(shí)應(yīng)力云圖如圖9b)所示，最終骨架曲線如圖10所示。

由圖8～圖10可知：1)結(jié)構(gòu)的剛度、承載力及重力分配由頂部至底部依次減小，這與地震力的分布相匹配。2)1/100位移角時(shí)，頂部的鋼桁架、中部的分塊鋼板均全截面屈服，底部的整體鋼板也部分區(qū)域屈服，但邊框鋼管達(dá)到屈服的區(qū)域較少，主要集中在柱腳。表明，鋼材屈服的先后順序?yàn)殇撹旒?、分塊鋼板、整體鋼板、邊框鋼管，這種延性屈服機(jī)制可以有效的保護(hù)鋼管柱與型鋼柱，以確保結(jié)構(gòu)抗震后期足夠的承載力與穩(wěn)定性。3)1/50位移角時(shí)，核心鋼構(gòu)整體屈服，各組成部件鋼材的抗震耗能能力充分發(fā)揮，耗能主要組成有：鋼桁架、分塊鋼板、整體鋼板剪切耗能，鋼管邊框、型鋼中柱彎曲耗能，鋼管混凝土芯開裂閉合耗能及各部件連接界面相互作用耗能，結(jié)構(gòu)的綜合抗震耗能性能好。4)結(jié)構(gòu)的骨架曲線平穩(wěn)，無下降趨勢，震后的承載力較高，工作性能穩(wěn)定。

3 結(jié)語

1)該新型組合剪力墻克服了帶豎縫剪力墻承載力和剛度小的不足，保持了帶豎縫剪力墻延性好的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了組合部件剛度、強(qiáng)度、延性的合理匹配。2)優(yōu)化選擇分塊鋼板設(shè)計(jì)參數(shù)可提高剪力墻抗震性能。3)整體鋼板、分塊鋼板、鋼桁架聯(lián)合應(yīng)用，可達(dá)到沿建筑物高度變承載力、變剛度的目的，綜合抗震能力好。

[1] 楊 光，趙作周，錢稼茹，等.新型鋼管混凝土組合剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2014,44(7):93-98.

[2] 卜凡民,聶建國,樊健生.高軸壓比下中高剪跨比雙鋼板—混凝土組合剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2013,34(4):91-98.

[3] 胡紅松,聶建國.雙鋼板—混凝土組合剪力墻變形能力分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2013,34(5):52-62.

[4] 馬曉偉,聶建國,陶慕軒,等.雙鋼板—混凝土組合剪力墻壓彎承載力數(shù)值模型及簡化計(jì)算公式[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2013,34(4):99-106.

[5] 董宏英,張文江,曹萬林,等.鋼管混凝土邊框內(nèi)藏帶斜肋鋼板中高剪力墻抗震性能試驗(yàn)[J].地震工程與工程震動(dòng),2013,33(3):148-154.

[6] GB 50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Analysis on seismic behavior of a new kind of composite shear wall on ABAQUS★

Yu Chuanpeng1Cao Wanlin2*Huang Youqiang1Dong Hongying2Liu Hao2

(1.StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd，Beijing100095,China；2.TheCollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

The paper adopts ABAQUS software to establish the finite element model suitable for the features of the steel tube concrete framework built-in block steel plate composite shearing wall, undertakes the elastic and plastic analysis of the new composite shearing wall structure, and proves by the result that the new shearing wall can ensure the building to change the loading capacity and stiffness along with the altitude with better seismic performance.

composite shearing wall, ABAQUS, seismic performance, loading capacity

1009-6825(2017)05-0031-03

2016-12-07★:國家自然科學(xué)基金(51478020)

于傳鵬(1987- )，男，碩士，工程師

曹萬林(1954- )，男，博士，博士生導(dǎo)師，教授

TU352

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