兩側(cè)加強(qiáng)的鋼管束混凝土組合剪力墻壓彎性能模擬分析

劉克忠,于明武,周新剛,劉昕旭,宋振宇

(1.煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院, 山東 煙臺 264005 ；2.煙臺建筑設(shè)計研究股份有限公司 ，山東 煙臺 264003)

鋼管束混凝土組合剪力墻(STW)是一種新型剪力墻,它由一個矩形鋼管和多個U形鋼管并排焊接在一起形成整體鋼管束,內(nèi)部澆注混凝土形成墻體,在裝配式住宅應(yīng)用中具有優(yōu)勢[1-3]．

鋼管束混凝土組合剪力墻具有較高的承載能力和良好的變形能力．陳志華等[4]分析了鋼管束組合剪力墻強(qiáng)度和剛度的影響因素．張曉萌[5]對鋼管束墻體鋼板厚度,截面形狀,栓釘配置等方面進(jìn)行了試驗研究．苗志華等[6]分析了剪跨比和單束尺寸對鋼管束混凝土組合剪力墻極限承載能力和延性性能的影響．研究發(fā)現(xiàn),鋼管束混凝土組合剪力墻在擬靜力加載時發(fā)生彎剪破壞,在試驗的破壞階段,外包鋼板的兩側(cè)底部首先出現(xiàn)局部屈曲破壞(圖1),隨著水平位移的增大,鋼管束內(nèi)部混凝土被壓碎,構(gòu)件整體失去承載能力．

圖1 剪力墻兩側(cè)鋼板屈曲破壞

Fig.1 Shear wall buckling failure on both sides of steel plate

針對該剪力墻局部屈曲的破壞模式,張鵬等[7]采用底部加強(qiáng)的方式來改善剪力墻的受力性能,此方法能明顯提高鋼管束混凝土組合剪力墻的極限承載能力,但其施工工藝復(fù)雜,外包鋼板與墻體鋼板之間連接不易保證．對比雙鋼板高強(qiáng)混凝土組合剪力墻通過設(shè)置暗柱(圖2(a))的方法來提高其抗震性能,本文提出一種兩側(cè)加強(qiáng)(圖2(b))的改進(jìn)技術(shù)．通過增加墻體兩側(cè)鋼管束的壁厚,減小中間鋼管束的壁厚,可以使鋼管束底部屈曲位置向內(nèi)側(cè)移動,上部墻體的材料性能得到充分發(fā)揮,底部側(cè)端的破壞程度明顯降低,提升了墻體的極限承載能力和變形能力,改善其整體受力性能．

圖2 剪力墻端部加強(qiáng)方式對比

鋼管束混凝土組合剪力墻性能影響參數(shù)與雙鋼板組合剪力墻影響參數(shù)相近,包括軸壓比、剪跨比、鋼板厚度、高厚比、混凝土強(qiáng)度等[8-12]．國內(nèi)外學(xué)者對雙鋼板剪力墻的影響參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究．研究表明,軸壓比和剪跨比是影響剪力墻抗震性能的關(guān)鍵因素[13-16]．

本文利用通用有限元分析軟件Abaqus建立13個鋼管束混凝土組合剪力墻模型,模擬分析在擬靜力荷載作用下兩側(cè)加強(qiáng)的鋼管束混凝土組合剪力墻不同軸壓比、剪跨比和加強(qiáng)區(qū)寬度的承載能力、延性等壓彎性能指標(biāo)．

1 兩側(cè)加強(qiáng)的鋼管束混凝土組合剪力墻有限元分析模型

1.1 有限元模擬與試驗結(jié)果對比

利用本課題組完成的鋼管束組合剪力墻擬靜力加載試驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)有的有限元模型分析結(jié)果對比,驗證有限元分析模型參數(shù)設(shè)置[17]的準(zhǔn)確性．有限元軟件計算結(jié)果與試驗加載結(jié)果對比曲線如圖3,可以看出,在極限承載力方面2種結(jié)果相近,但模擬結(jié)果的初始剛度相比試驗結(jié)果稍大．由此得出結(jié)論,該有限元模型的極限承載力模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠,位移的模擬誤差在允許范圍之內(nèi),因此可以使用該有限元模型對不同參數(shù)的鋼管束組合剪力墻進(jìn)行下一步的模擬計算分析．

圖3 基準(zhǔn)試件曲線對比

1.2 剪力墻建模參數(shù)

建立13個鋼管束組合剪力墻有限元模型,其中基準(zhǔn)模型的高度為1 500 mm,構(gòu)件截面尺寸為140 mm×1 000 mm,模型參數(shù)如圖4．鋼管束混凝土組合剪力墻基準(zhǔn)試件(STW)采用3 mm厚鋼板,加強(qiáng)區(qū)采用4 mm、5 mm厚鋼板,墻體內(nèi)部采用強(qiáng)度等級為C35的混凝土．模型幾何參數(shù)如表1.

圖4 剪力墻模型幾何參數(shù)

表1 有限元建模參數(shù)

2 有限元計算結(jié)果分析

圖5為Abaqus有限元軟件計算應(yīng)力云圖,可以看出,試件STW在低周反復(fù)荷載作用下發(fā)生破壞時,破壞位置集中在墻體的角部且屈曲嚴(yán)重,而上部墻體鋼板與混凝土貼合緊密,沒有出現(xiàn)鼓屈現(xiàn)象．未加強(qiáng)的剪力墻上部墻體材料未得到充分利用,角部屈曲破壞最終導(dǎo)致剪力墻整體失去承載能力．

圖5 模型計算結(jié)果

從圖5可以看出,兩側(cè)加強(qiáng)的鋼管束組合剪力墻試件底部屈曲范圍更加均勻,屈曲位置向內(nèi)側(cè)移動且屈曲程度減輕．在恒定軸壓力與水平推力作用下,試件STW4角部鋼管束不再發(fā)生鼓屈破壞,屈曲范圍向墻體內(nèi)側(cè)擴(kuò)展,墻體的材料性能得以充分發(fā)揮,提高了墻體的材料利用率．當(dāng)剪力墻兩側(cè)鋼板厚度由3 mm改為5 mm后,其極限承載能力提高幅度達(dá)22.56%,且試件的骨架曲線下降段平緩,延性性能表現(xiàn)更優(yōu),墻體的綜合性能得到進(jìn)一步提高．由此可見,兩側(cè)加強(qiáng)的鋼管束混凝土組合剪力墻具有更優(yōu)越的壓彎性能．下面以有限元模型為基礎(chǔ)分析軸壓比、剪跨比、加強(qiáng)區(qū)寬度等參數(shù)對該種剪力墻壓彎性能的影響．

2.1 軸壓比的影響

圖6可以看出,當(dāng)軸壓比在0.1～0.4范圍內(nèi)時,隨著軸壓比的增大,兩側(cè)加強(qiáng)的鋼管束混凝土組合剪力墻的極限承載力略微提升,當(dāng)軸壓比為0.4時水平承載力達(dá)到最大值．隨著水平位移的增大,試件的骨架曲線到達(dá)峰值荷載之后開始緩慢下降,其中軸壓比為0.4時下降最為緩慢,此時兩側(cè)加強(qiáng)的鋼管束混凝土組合剪力墻具有良好的延性性能．

圖6 不同軸壓比剪力墻骨架曲線

Fig.6 Shear wall skeleton curves with different axial compression ratios

2.2 剪跨比的影響

圖7和圖8可以看出,當(dāng)剪跨比由1.8減小到1.0時,兩側(cè)加強(qiáng)的鋼管束組合剪力墻在反復(fù)荷載作用下彈性剛度和峰值荷載明顯提高;隨著剪跨比的降低,墻體的剪切變形比例增加,抗剪承載能力提升,峰值荷載分別增大了11.27%、37.8%、60.25%．從骨架曲線下降段可以看出,隨著剪跨比的增大,試件的骨架曲線下降段更為平緩,當(dāng)剪跨比為1.8時,剪力墻的延性性能最好．

圖7 不同剪跨比剪力墻骨架曲線

Fig.7 Shear wall skeleton curves with different shear-span ratios

圖8 不同剪跨比剪力墻極限承載力對比

Fig.8 Comparison of ultimate bearing capacity of shear walls with different shear-span ratios

2.3 不同用鋼量加強(qiáng)區(qū)寬度的影響

圖9可以看出,兩側(cè)加強(qiáng)的鋼管束組合剪力墻的彈性階段剛度及水平峰值荷載隨著加強(qiáng)區(qū)寬度的增加緩慢提高．當(dāng)加強(qiáng)區(qū)寬度由400 mm增加到800 mm、1 000 mm時,鋼管束混凝土組合剪力墻的峰值荷載分別增大了2.07%、3.05%,隨著墻體含鋼率上升,鋼管束對內(nèi)部混凝土的約束能力增強(qiáng),混凝土的材料性能得到充分發(fā)揮,極限承載力緩慢提升．峰值荷載過后,骨架曲線出現(xiàn)緩慢下降段,各曲線下降段斜率相近,表明含鋼量增加對鋼管束混凝土組合剪力墻的延性性能影響不大．

2.4 相同用鋼量加強(qiáng)區(qū)寬度的影響

在控制用鋼量相同的情況下改變加強(qiáng)區(qū)寬度,來研究不同加強(qiáng)區(qū)寬度對鋼管束混凝土組合剪力墻壓彎性能的影響．由圖10可知,在相同含鋼量的情況下,兩側(cè)加強(qiáng)的鋼管束混凝土組合剪力墻隨著加強(qiáng)區(qū)寬度減小,彈性階段剛度變化不大,但水平峰值荷載明顯提高;當(dāng)剪力墻加強(qiáng)區(qū)寬度由1 000 mm降低到800 mm、400 mm時,峰值荷載分別增大了3.33%、13.03%,模型STW3-1-1的承載能力提高最為明顯,即當(dāng)加強(qiáng)區(qū)處于剪力墻墻身最外側(cè)時,剪力墻的極限承載能力最高,延性性能較好．在相同用鋼量的情況下,通過對最外側(cè)鋼管束鋼板加厚,針對鋼管束混凝土組合剪力墻的屈曲位置,可以最有效地抵抗鋼板屈曲,從而獲得更高的承載力．

圖9 不同加強(qiáng)區(qū)寬度剪力墻骨架曲線

Fig.9 Shear wall skeleton curves with different reinforcement zones

圖10 等用鋼量不同加強(qiáng)區(qū)寬度剪力墻骨架曲線

Fig.10 Shear wall skeleton curves with the same amount of steel but different reinforcement zone width

3 兩側(cè)加強(qiáng)的鋼管束混凝土組合剪力墻試驗驗證

將有限元模型STW1、STW3-2、STW4的模擬計算結(jié)果與本課題組試驗結(jié)果進(jìn)行對比,進(jìn)一步驗證帶加強(qiáng)區(qū)的鋼管束組合剪力墻模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,對比結(jié)果如圖11．

圖11 帶加強(qiáng)區(qū)的試件曲線對比

Fig.11 Test specimens with reinforced zone correlation curve chart

從圖11可以看出,3個試件的試驗曲線與模擬曲線在承載力結(jié)果方面吻合較好,在反復(fù)荷載作用下骨架曲線的破壞趨勢相近．在骨架曲線的上升階段,有限元模擬曲線斜率較大,模擬結(jié)果的彈性剛度較高,原因是在有限元建模過程中沒有考慮材料的初始缺陷．材料初始缺陷主要包括混凝土的粗細(xì)骨料分布不均、澆筑過程中不能保證混凝土完全密實、外包鋼板與混凝土之間存在粘結(jié)空隙等,這些缺陷都會影響墻體前期加載過程的承載力及剛度．總體來看,此模型的承載力模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠,初始剛度誤差在允許范圍內(nèi),因此可以利用該模型對兩側(cè)加強(qiáng)的鋼管束組合剪力墻進(jìn)行進(jìn)一步的模擬計算分析．

表2 承載力對比

4 結(jié) 論

本文利用有限元軟件Abaqus對兩側(cè)加強(qiáng)的鋼管束混凝土組合剪力墻進(jìn)行模擬分析,分析了軸壓比、剪跨比、加強(qiáng)區(qū)寬度對該種剪力墻壓彎性能的影響,得到以下結(jié)論:

(1)有限元分析表明,鋼管束混凝土組合剪力墻具有較高的承載力和良好的變形能力．在破壞階段,鋼管束底部側(cè)端應(yīng)力較大,容易首先屈曲破壞,因此需對鋼管束底部側(cè)端采取加強(qiáng)措施．

(2)兩側(cè)加強(qiáng)的鋼管束組合剪力墻具有更高的極限承載能力和變形能力,通過合理配置鋼板壁厚,可以提高墻體的材料利用率．

(3)有限元模擬的壓彎性能參數(shù)分析表明:軸壓比增大使剪力墻的承載力略微提升,當(dāng)軸壓比為0.4時,剪力墻的承載力及延性較好．隨著剪跨比的降低,剪力墻的初始抗側(cè)剛度增大,承載力提高,但變形能力下降．在相同用鋼量的情況下,當(dāng)加強(qiáng)區(qū)處于剪力墻墻身最外側(cè)時,剪力墻的極限承載力最高,延性性能較好,加強(qiáng)效果最佳．