鋼管混凝土邊框內(nèi)藏帶斜肋鋼板中高剪力墻結(jié)構(gòu)的有限元分析

鄭 騏, 陳家學(xué), 張亞東

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鋼管混凝土邊框內(nèi)藏帶斜肋鋼板中高剪力墻結(jié)構(gòu)的有限元分析

鄭 騏, 陳家學(xué), 張亞東

(山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 山東 青島 266590)

鋼管混凝土邊框內(nèi)藏帶斜肋鋼板中高剪力墻結(jié)構(gòu)融合了鋼管混凝土和帶斜肋鋼板中高剪力墻兩種不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn), 是一種應(yīng)用前景比較好的抗震結(jié)構(gòu). 為了系統(tǒng)地研究帶斜肋鋼板中高剪力墻對(duì)整體結(jié)構(gòu)的抗剪能力的影響, 使用 ANSYS 軟件建立非線性有限元模型對(duì)其進(jìn)行分析, 在驗(yàn)證有限元模型的基礎(chǔ)上, 從整體性能、傳力機(jī)理、耗能等方面對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià). 結(jié)果表明: 鋼管混凝土邊框內(nèi)藏帶斜肋鋼板中高剪力墻結(jié)構(gòu)具有較高的側(cè)向承載力和強(qiáng)度儲(chǔ)備, 在循環(huán)荷載作用下, 結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的耗能能力, 鋼管混凝土承擔(dān)80%~100%的傾覆彎矩, 帶斜肋鋼板中高剪力墻承擔(dān)80%~90%的側(cè)向力.

滯回性能; 傳力機(jī)理; 耗能性能

1 概述

近年來, 隨著對(duì)框架剪力墻結(jié)構(gòu)的研究不斷深入, 原有的框架剪力墻結(jié)構(gòu)形式已不能滿足高強(qiáng)度的抗剪性能需求, 出現(xiàn)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度小, 側(cè)向位移大等技術(shù)難題, 導(dǎo)致提高了對(duì)框架結(jié)構(gòu)的抗震要求.

針對(duì)這一問題, 國內(nèi)外研究人員對(duì)不同的結(jié)構(gòu)形式在地震作用下所表現(xiàn)出來的力學(xué)特性以及變形特征進(jìn)行了大量研究, 取得了豐碩的成果. 任鳳鳴[1]等對(duì)鋼管混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下的抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析, 發(fā)現(xiàn)新型三重鋼管防屈曲支撐起到良好的耗能減震作用, 有效地改善鋼管混凝土框架的抗震性能; 黨爭(zhēng)[2]等對(duì)鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震分析, 表明了該設(shè)計(jì)方法對(duì)一定層數(shù)范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)非彈性性能設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性; 鄭振鵬[3]等從結(jié)構(gòu)整體計(jì)算、關(guān)鍵構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)等方面對(duì)預(yù)制裝配整體式混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入探索和研究; 彭曉彤[4]等提出了基于塑性理論的側(cè)向極限荷載的簡(jiǎn)化計(jì)算方法對(duì)鋼框架內(nèi)填混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析, 研究表明: 降低節(jié)點(diǎn)剛度有利于提高結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力; 增加內(nèi)填墻的厚度可提高結(jié)構(gòu)的初始剛度和承載力; 增加水平向栓釘?shù)臄?shù)量,采用普通混凝土以及合理設(shè)置暗柱、暗梁, 能夠有效地提高結(jié)構(gòu)的整體性能. 李國華[5]等對(duì)鋼框架—內(nèi)填混凝土墻結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了非線性有限元分析, 采用對(duì)角單壓桿模型對(duì)內(nèi)填墻的受力特性進(jìn)行了研究; 方有珍[6]等基于半剛接鋼框架(柱弱軸)—內(nèi)填剪力墻結(jié)構(gòu)滯回性能進(jìn)行了循環(huán)荷載下的試驗(yàn)研究, 得出影響SRCW結(jié)構(gòu)體系的承載能力和延性的主要因素與RC剪力墻的厚度和混凝土等級(jí)有關(guān); 趙偉[7]等對(duì)鋼框架內(nèi)填預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻的抗震性能進(jìn)行了研究, 研究結(jié)果表明合理設(shè)計(jì)的鋼框架內(nèi)填預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的延性; 于金光[8]等從傳統(tǒng)抗彎鋼框架側(cè)向剛度不足的角度出發(fā), 提出了更加經(jīng)濟(jì)的半剛性連接鋼框架—非加勁鋼板剪力墻結(jié)構(gòu), 并從承載力、剛度、延性、耗能、整體性能和節(jié)點(diǎn)性能等六個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行研究分析; 郝際平[9]等對(duì)薄鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)邊框架柱的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究, 指出邊框架柱面內(nèi)彎曲剛度不足或其剪切承載力不足, 會(huì)導(dǎo)致鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“內(nèi)凹”變形, 影響墻板斜向?qū)抢У拈_展. 王堯鴻[10]等對(duì)鋼管混凝土疊合邊框內(nèi)藏鋼桁架剪力墻進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的研究, 指出鋼管混凝土疊合邊框內(nèi)藏鋼桁架剪力墻比普通鋼管混凝土疊合柱邊框剪力墻承載力高、剛度退化慢、延性好、抗震耗能能力強(qiáng).

盡管諸多學(xué)者針對(duì)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了深入探索, 但關(guān)于何種結(jié)構(gòu)形式能夠最大限度的發(fā)揮結(jié)構(gòu)的抗剪能力仍未有定論. 本文對(duì)鋼管混凝土邊框內(nèi)藏帶帶斜肋鋼板中高剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究. 在鋼管混凝土邊框內(nèi)藏帶帶斜肋鋼板中高剪力墻結(jié)構(gòu)體系中, 豎向荷載主要是由鋼管混凝土柱來抵抗, 同時(shí)抵抗一部分水平荷載, 并且承受部分的整體彎矩, 而水平的地震荷載以及風(fēng)荷載主要由帶斜肋鋼板中高剪力墻承擔(dān). 目前, 我們對(duì)鋼管混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)的研究尚處于初期階段, 理論還不太完善, 主要都是基于線彈性階段的研究. 由于剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的越來越復(fù)雜, 如果研究只基于線彈性階段, 就很難準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)的受力情況, 所以本文通過利用非線性有限元的分析方法, 對(duì)這種特殊的受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析.

2 有限元模擬

試件采用一品單層鋼管混凝土邊框內(nèi)藏帶斜肋鋼板中高剪力墻結(jié)構(gòu)(圖1), 墻體厚度為100mm, 內(nèi)藏鋼板厚度為4mm, 內(nèi)藏鋼板貼焊90mm×3mm斜撐肋板. 各試件邊框采用方鋼管混凝土柱, 鋼管尺寸為140mm×140 mm×3.5 mm. 剪力墻截面總高度為740mm, 其中混凝土墻體截面高度為460 mm. 混凝土墻體雙向分布鋼筋為φ4@40. 鋼板上開直徑為10mm圓孔, 下部孔距為80mm, 上部孔距為120mm. 拉結(jié)鋼筋穿過鋼板圓孔, 將兩側(cè)分布鋼筋網(wǎng)拉結(jié), 底部鋼管混凝土柱與基礎(chǔ)剛性連接, 柱頂施加荷載P軸壓比為0.3, 在頂層梁處施加水平荷載H.

圖1鋼管混凝土邊框內(nèi)藏帶斜肋鋼板中高剪力墻結(jié)構(gòu)模型

本文采用ANSYS軟件建立非線性有限元模型對(duì)這種特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析. 主要討論的是這種特殊結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震性能, 所以重點(diǎn)對(duì)在水平荷載作用下的情況進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬. 鋼管混凝土邊框內(nèi)藏帶斜肋鋼板中高剪力墻結(jié)構(gòu)由鋼管混凝土柱和帶斜肋鋼板中高剪力墻這兩種不同的結(jié)構(gòu)組成, 必須要考慮兩者的協(xié)同工作. 所以在選用單元時(shí), 整個(gè)結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土都采用Solid 65整體式模型, 而鋼管和鋼板均采用Solid 45六面體單元. 在計(jì)算過程中依據(jù)Von Mises屈服準(zhǔn)則, 型鋼材料的本構(gòu)模型采用各向同性雙線性運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化彈塑性模型(BKIN). 混凝土材料的本構(gòu)模型采用各向同性多線性運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化彈塑性模型(MKIN), 并且使用William-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則.

型鋼的彈性模量E= 2×105MPa, 荷載—位移曲線采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型, 屈服強(qiáng)度為235MPa, 強(qiáng)化階段模量為彈性階段的1.5%倍. 混凝土彈性模量E= 3×104MPa, 抗壓強(qiáng)度取30MPa.

為了驗(yàn)證鋼管混凝土邊框內(nèi)藏帶斜肋鋼板中高剪力墻結(jié)構(gòu)模型非線性有限元的有效性, 將該結(jié)構(gòu)的循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果[11]與有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較, 結(jié)果表明: 數(shù)值分析模擬中, 裂縫分布規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似, 但裂縫對(duì)比實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)較晚, 數(shù)量也相對(duì)較多, 兩者雖有一定的誤差, 但總體上吻合較好, 因此有限元模擬方法可行.

3 滯回性能分析

在分析滯回性能時(shí)所建模型以試驗(yàn)試件為原型. 當(dāng)模型水平方向達(dá)到屈服極限時(shí)提取模型的Mises應(yīng)力(圖2). 從圖2中可以看出, 受壓邊框鋼管柱底部出現(xiàn)屈曲, 帶斜肋鋼板中高剪力墻墻體底部出現(xiàn)水平剪切破壞, 條帶逐漸形成并導(dǎo)致試件破壞. 模型的破壞模態(tài)與試驗(yàn)破壞模態(tài)[11]基本一致.

圖2 極限荷載時(shí)Mises應(yīng)力

3.1 整體性能

在豎向荷載作用下, 對(duì)該結(jié)構(gòu)施加水平單向荷載和反復(fù)荷載. 結(jié)構(gòu)在單調(diào)荷載作用下的荷載—位移曲線如圖3所示, 圖4則為在反復(fù)荷載作用下的荷載—位移滯回曲線. 對(duì)圖3和圖4進(jìn)行比較可以看出, 荷載—位移曲線基本為滯回曲線的外包絡(luò)圖. 從圖中可以看出水平極限承載力為733.36kN, 而其水平設(shè)計(jì)承載力設(shè)計(jì)值為363 kN, 試件在達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)還處于彈性工作階段, 并且可以看出其實(shí)際極限承載力約為設(shè)計(jì)值的2 倍, 而在試驗(yàn)過程中, 其極限承載力約為792kN, 基本為設(shè)計(jì)值的3倍. 因此在不考慮材料的實(shí)際性能時(shí), 依然能夠得到較高的承載力. 圖4共完成5個(gè)滯回環(huán), 當(dāng)負(fù)向加載, 頂點(diǎn)位移達(dá)12mm時(shí), 試件達(dá)到極值荷載688.22kN, 在正向加載頂點(diǎn)位移達(dá)15mm時(shí), 試件達(dá)到極限荷載628.42kN. 比較兩個(gè)圖可以發(fā)現(xiàn)循環(huán)加載的極限荷載低于單調(diào)加載的極限值, 和實(shí)際試驗(yàn)相符.

圖3 模型單調(diào)曲線

圖4 模型試件滯回曲線

通過分析計(jì)算可以得到試件的剛度, 在一級(jí)循環(huán)荷載時(shí)的剛度為147. 67 kN/mm, 和單調(diào)加載的初始剛度(166.7kN / mm)相比十分接近, 說明試件還處于線彈性工作階段. 在經(jīng)過多次加載后, 可以看出試件的剛度發(fā)生了明顯的退化.

3.2 傳力機(jī)理

為分析研究每級(jí)荷載下鋼管混凝土和帶斜肋鋼板中高剪力墻所承擔(dān)的傾覆彎矩. 以圖1中A截面為例, 計(jì)算鋼管混凝土承擔(dān)的彎矩M, 帶斜肋鋼板中高剪力墻承擔(dān)的彎矩M和總彎矩M, 并進(jìn)行對(duì)比分析, 詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1.

從表1中可以看出在一級(jí)加載時(shí), 鋼管混凝土框架所承擔(dān)的傾覆彎矩的比例為82.2%, 帶斜肋鋼板中高剪力墻所承擔(dān)的傾覆彎矩為17.8%. 隨著荷載的不斷增加, 鋼管混凝土框架承擔(dān)的傾覆彎矩所占的比例在減少, 而帶斜肋鋼板中高剪力墻所承擔(dān)的傾覆彎矩的比例在增大. 到加載后期由于帶斜肋鋼板中高剪力墻與鋼管混凝土框架連接處開裂導(dǎo)致剪力墻承擔(dān)的彎矩減少.

表1 彎矩分配

在加載過程開始時(shí), 側(cè)向水平力主要是由鋼管混凝土框架來承擔(dān), 帶斜肋鋼板中高剪力墻也承擔(dān)部分側(cè)向水平力. 隨著力的增大, 帶斜肋鋼板中高剪力墻所承擔(dān)的水平荷載也逐漸增大. 到加載的后期, 帶斜肋鋼板中高剪力墻由于屈服承擔(dān)的比例有所減少. 因此, 這種結(jié)構(gòu)所組成的抗側(cè)力體系會(huì)隨著力的增大而增大, 直至得到屈服才會(huì)減小.

3.3 耗能

采用功耗比W來描述基準(zhǔn)試件的耗能能力, 功耗比W按下述方法確定: 計(jì)算每一個(gè)滯回環(huán)在第一象限的面積A, 然后除以A( =Fδ), 就能得到每一荷載水平下的功耗比W, 結(jié)果見表2.

表2 耗能分析

從表2中可以看出, 型鋼混凝土內(nèi)接W剪力墻結(jié)構(gòu)在彈性階段時(shí)吸收的能量比較小. 隨著荷載的增加, 結(jié)構(gòu)耗能也在不斷地增大; 到第5次加荷載時(shí), 結(jié)構(gòu)最大耗能W達(dá)到14.14%, 在地震作用時(shí)能夠有效地吸收地震能, 減少在地震發(fā)生時(shí)結(jié)構(gòu)所遭受的破壞.

4 結(jié)語

鋼管混凝土邊框內(nèi)藏帶斜肋鋼板中高剪力墻結(jié)構(gòu)在整體的抗震過程中, 能夠很好地抵抗地震作用, 減少在地震作用中所帶來的結(jié)構(gòu)損壞, 在發(fā)生變形的過程中可吸收一部分地震能而不致發(fā)生倒塌. 這種結(jié)構(gòu)提供了足夠的側(cè)向剛度, 并以一種較為簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)的方式將地震所帶來的災(zāi)害控制在一定的范圍內(nèi), 而且這種結(jié)構(gòu)降低了鋼管混凝土框架對(duì)節(jié)點(diǎn)抗彎能力的要求, 保證結(jié)構(gòu)具有一定的延性, 避免了剪力墻在遭到破壞后強(qiáng)度和剛度突然下降, 能夠在荷載作用下通過帶斜肋鋼板中高剪力墻的變形、開裂和鋼管混凝土框架與帶斜肋鋼板中高剪力墻連接處的屈服破壞等途徑來耗散能量.

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Finite Element Analysis of Mid-rise Shear Walls with CFST Boundary Columns and Concealed Steel Plates with Diametrically Opposed Cross Braces

Zheng Qi, Chen Jiaxue, Zhang Yadong

(College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

Themid-rise shear walls with CFST boundary columns and concealed steel plates with diametrically opposed cross braces structure is consist of CFST and steel plates with diametrically opposed cross braces, and it has lots of advantages as earthquake-resistant structure. In order to systematically study steel plates with diametrically opposed cross braces influence on shear capacity of the whole structure, use ANSYS software to establish a nonlinear finite element model to analyze it from the overall performance, the force transmission mechanism to evaluate the structure, energy consumption on the basis of the finite element model validation. The results showed that the mid-rise shear walls with CFST boundary columns and concealed steel plates with diametrically opposed cross braces structure has high lateral bearing capacity and strength reserve, and the structure performs well in energy dissipation under cyclic load. The steel frame bears the proportions of 80% ~ 100% of the overturning moment, shear wall for 80% ~ 90% of the lateral force.

hysteretic performance, power transmission mechanism, energy performance

2017-08-25

鄭 騏(1992? ), 男, 山東濰坊人, 山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院碩士研究生. 主要研究方向: 結(jié)構(gòu)工程

TU398

A

1672-5298(2017)04-0058-04