木蓋板屈曲約束鋼板剪力墻抗震性能有限元分析*

李奉閣,汪江超,陳玥

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

木蓋板屈曲約束鋼板剪力墻作為一種新型抗震結(jié)構(gòu),有效地解決了傳統(tǒng)的非加勁厚鋼板剪力墻用鋼量巨大、不經(jīng)濟(jì),非加勁薄鋼板墻抗震耗能時(shí)屈曲變形過大等問題;與混凝土屈曲約束鋼板墻相比,木蓋板更輕便利于施工安裝,協(xié)調(diào)變形能力好,可以避免混凝土蓋板提前開裂破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效等問題,且木材可再生、環(huán)保綠色的特性應(yīng)用前景巨大.郭彥林[1-3]等學(xué)者采用試驗(yàn)和有限元分析研究了不同類型的鋼板墻的抗震性能,并通過數(shù)值分析給出了RC蓋板約束剛度以及連接螺栓的設(shè)計(jì)公式;鐘恒[4]等學(xué)者以約束蓋板放置方式等為參數(shù)對(duì)兩個(gè)1/3縮尺分塊蓋板屈曲約束鋼板墻進(jìn)行了試驗(yàn)分析;汪大洋[5-6]等學(xué)者對(duì)分塊蓋板屈曲約束鋼板墻進(jìn)行了有限元分析;目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)組合鋼板墻和預(yù)制混凝土蓋板防屈曲鋼板剪力墻進(jìn)行了一些研究,但是對(duì)木蓋板屈曲約束鋼板墻的研究還比較少,還停留在理論研究階段,不利于該結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用,因此,文中對(duì)木蓋板屈曲約束鋼板墻進(jìn)行有限元數(shù)值分析,為木蓋板屈曲約束鋼板剪力墻的推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ).

文中前期對(duì)設(shè)置屈曲約束木蓋板和不設(shè)置屈曲約束木蓋板的兩個(gè)鋼板剪力墻試件進(jìn)行低周往復(fù)荷載擬靜力試驗(yàn);采用數(shù)值分析方法,建立ABAQUS有限元模型并對(duì)比分析有限元和試驗(yàn)試件的承載能力等特征驗(yàn)證模型正確性,在原試驗(yàn)有限元模型基礎(chǔ)上選取木蓋板連接螺栓排布方式、內(nèi)嵌板高厚比和木蓋板厚度等影響結(jié)構(gòu)抗震性能的因素,對(duì)木蓋板屈曲約束鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系做了進(jìn)一步的參變分析.

1 試驗(yàn)概況

設(shè)計(jì)兩個(gè)尺寸相同、單層單跨的普通薄鋼板剪力墻和木蓋板屈曲約束鋼板剪力墻試件,縮尺比例為1/3;框架柱和梁截面分別為HW150 mm×150 mm×7 mm×10 mm和HM150 mm×100 mm×6 mm×9 mm,框架通過焊接方式連接,內(nèi)填板和木蓋板屈曲約束構(gòu)件幾何尺寸分別為900 mm×900 mm×1.8 mm和700 mm×720 mm×70 mm,通過高強(qiáng)螺栓將約束件與內(nèi)填板連接,具體見圖1,對(duì)兩試件進(jìn)行低周往復(fù)荷載試驗(yàn),在試件柱頂加載端處施加往復(fù)荷載;試件的材性參數(shù)見表1和表2.

圖1 試驗(yàn)試件尺寸(a)非加勁鋼板墻試件;(b)木蓋板屈曲約束鋼板墻試件

表1 鋼材材性性能

表2 木材材性性能

2 有限元模型

采用ABAQUS建立有限元模型,本文采用殼單元S4R和實(shí)體單元C3D8R來模擬內(nèi)填鋼板以及周邊框架和木蓋板約束件,以便獲得更精確的計(jì)算結(jié)果;在確保計(jì)算精度的情況下對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行簡(jiǎn)化,簡(jiǎn)化模型見圖2;采用綁定約束來模擬框架梁柱之間的焊接連接作用,忽略魚尾板的影響并將內(nèi)填鋼板直接與框架綁定;以內(nèi)填鋼板為主面、兩側(cè)木蓋板的內(nèi)表面為從面設(shè)置表面與表面接觸的相互作用關(guān)系,選用有限滑移公式來模擬兩側(cè)木蓋板與內(nèi)填鋼板之間的相對(duì)滑移;使木蓋板與內(nèi)填鋼板之間的接觸面光滑且不發(fā)生相互穿透,能更好地傳遞壓力和變形;采用梁?jiǎn)卧狟31來模擬連接螺栓,將兩側(cè)木蓋板外表面螺栓孔位置處的相應(yīng)區(qū)域與連接螺栓進(jìn)行MPC多點(diǎn)約束,以實(shí)現(xiàn)連接螺栓對(duì)兩側(cè)木蓋板的約束作用.

圖2 簡(jiǎn)化模型

采用雙線性強(qiáng)化模型來模擬鋼材本構(gòu)關(guān)系,鋼材各項(xiàng)參數(shù)按照前文材性試驗(yàn)折算成真實(shí)值取用,采用米塞斯準(zhǔn)則定義鋼材的屈服;采用正交各向異性模型來模擬木材本構(gòu)關(guān)系,處于彈性階段的木材可以用縱、徑、弦三方向的彈性模量以及泊松比等9個(gè)彈性參數(shù)定義正交各向異性.

試驗(yàn)與有限元模型的骨架曲線見圖3;由圖易知,有限元與試驗(yàn)結(jié)果在試件達(dá)到極限承載力之前有較高的重合度;隨著兩試件達(dá)到極限承載力以后,兩試件內(nèi)填鋼板塑性變形嚴(yán)重,兩側(cè)柱腳翼緣相繼出現(xiàn)屈曲斷裂,導(dǎo)致其骨架曲線開始下降,而有限元模型隨著材料普遍進(jìn)入強(qiáng)化階段,承載力增長(zhǎng)也逐漸趨于平緩;總的來說,有限元和試驗(yàn)結(jié)果能保持基本的一致性.

圖3 有限元與試驗(yàn)骨架曲線對(duì)比

3 參變分析

文中在原試驗(yàn)有限元模型基礎(chǔ)上選取了木蓋板連接螺栓排布方式、內(nèi)嵌板高厚比和木蓋板厚度等影響結(jié)構(gòu)抗震性能的因素,對(duì)木蓋板屈曲約束鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系做進(jìn)一步的參變分析,參變模型邊界設(shè)置以及加載模式等參數(shù)和試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢?

3.1 連接螺栓排布方式

其他參數(shù)不變的情況下,對(duì)不同連接螺栓排布方式下的木蓋板屈曲約束鋼板剪力墻模型進(jìn)行有限元分析,分為5種螺栓排布方式:0×0,2×2,3×3,4×4,5×5.

圖4為5種不同螺栓排布方式下模型的骨架曲線和剛度退化對(duì)比;0×0相當(dāng)于普通非加勁鋼板剪力墻,由圖可以看出,其極限承載力以及剛度要小于其他設(shè)置屈曲約束木蓋板的構(gòu)件;在整個(gè)加載過程中木蓋板屈曲約束鋼板墻的剛度要略大于普通薄鋼板墻,而兩者剛度退化的趨勢(shì)基本相似.初始剛度最大的是5×5排布方式的試件,約為132.43 kN/mm,相較于普通鋼板墻,木蓋板屈曲約束件的設(shè)置能有效提高鋼板墻的初始剛度.參考AISC[7]給出的單側(cè)RC板螺栓間距限值公式以及文獻(xiàn)[1]和[8]的相關(guān)規(guī)定,木蓋板屈曲約束鋼板剪力墻的最大螺栓間距和內(nèi)填板厚比值可取d/tw=100;3×3以上螺栓排布方式滿足要求,鋼板墻受力機(jī)制為平面內(nèi)剪切作用,這是因?yàn)槁菟ㄅ挪荚矫?內(nèi)填板與木蓋板的面外約束點(diǎn)越多,從而對(duì)內(nèi)填鋼板起到的約束作用越好,避免了內(nèi)嵌鋼板的面外變形,而0×0和2×2由于排布方式過于稀疏,不滿足要求,不能給予內(nèi)嵌鋼板足夠的約束,導(dǎo)致其發(fā)生整體面外變形屈曲,受力機(jī)制為拉力帶作用;由此可見,合理的螺栓排布方式對(duì)結(jié)構(gòu)的受力有很大影響.

圖4 不同螺栓排布骨架曲線和剛度退化對(duì)比(a)骨架曲線;(b)剛度退化

3.2 內(nèi)填鋼板高厚比

內(nèi)填鋼板高厚比是影響結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵參數(shù);以內(nèi)填鋼板高厚比為變量探究其對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律.板高厚比變量分別為:λ=200,λ=300,λ=400,λ=500和λ=600.不同高厚比模型的骨架曲線和剛度退化見圖5;高厚比λ=200時(shí)試件的承載力和初始剛度分別為821.33 kN和183.84 kN/mm,λ=600時(shí)承載力和初始剛度分別為496.49 kN和120.71 kN/mm,相對(duì)于高厚比λ=600的鋼板墻而言,λ=200時(shí)試件的承載力和初始剛度提高了約65%和52%;由此可見,結(jié)構(gòu)高厚比越小,其承載力提升越明顯,板高厚比越小的結(jié)構(gòu)初始剛度越大.

圖5 不同高厚比骨架曲線和剛度退化對(duì)比(a)骨架曲線;(b)剛度退化

3.3 木蓋板厚度

內(nèi)填板兩側(cè)木蓋板約束件對(duì)其面外屈曲起到重要的約束作用,是影響鋼板墻性能的關(guān)鍵因素;其他參數(shù)不變,通過調(diào)整木蓋板約束件厚度研究其對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,木蓋板厚度分別取為T=0 mm;T=30 mm;T=50 mm;T=70 mm.不同木蓋板厚度模型的骨架曲線和剛度退化見圖6,各模型對(duì)應(yīng)于位移角為1/50時(shí),木蓋板厚度T=0 mm時(shí)試件承載力和初始剛度分別為489.16 kN和105.78 kN/mm;T=50 mm和T=70 mm時(shí)分別為535.57 kN,131.08 kN/mm和542.76 kN,132.43 kN/mm;木蓋板的設(shè)置以及蓋板厚度的增加,使試件承載力和剛度有所提升,并減緩剛度退化,提升其后期抗側(cè)高度,當(dāng)木蓋板厚度增加至50 mm以上時(shí),試件承載力提升逐漸平緩,剛度退化逐漸趨于一致.

圖6 不同木蓋板厚度骨架曲線和剛度退化對(duì)比(a)骨架曲線;(b)剛度退化

4 結(jié)論

1)采用ABAQUS軟件建立的有限元模型能夠很好地模擬木蓋板屈曲約束鋼板墻在往復(fù)荷載下的抗震性能,有限元與試驗(yàn)結(jié)果能夠保持較好地一致性.

2)連接螺栓間距減小,結(jié)構(gòu)的極限承載力呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),由0×0至5×5排布時(shí),承載力提升約12%;而其對(duì)剛度退化的影響則較小,剛度退化的規(guī)律大致相同.

3)高厚比λ是影響鋼板墻抗震性能的主要因素;λ由600降至200時(shí),承載力和剛度分別提升了65%和52%;高厚比越小,結(jié)構(gòu)的承載力和剛度提高越明顯.

4)木蓋板約束件的設(shè)置以及蓋板厚度的增加提升了結(jié)構(gòu)承載力和初始剛度,設(shè)置50 mm厚木蓋板約束件鋼板墻較普通鋼板墻承載力和剛度分別提升約10%和24%,而當(dāng)木蓋板增加至50 mm以上時(shí),試件承載力和剛度不再顯著增加.