帶豎縫鋼管束砼組合剪力墻受力性能模擬分析

宋振宇,周新剛,張忠杰,鄒天豪

(煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

鋼-混凝土組合剪力墻是高層和超高層建筑中重要的抗側(cè)力構(gòu)件,對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震安全性有重要作用．目前工程上應(yīng)用較多的鋼-混凝土組合剪力墻一般為鋼板剪力墻．近幾年隨著鋼結(jié)構(gòu)和裝配式住宅的迅速發(fā)展,在鋼板剪力墻的基礎(chǔ)上,逐漸發(fā)展出一種新型鋼-混凝土組合剪力墻——鋼管束砼組合剪力墻[1-2]或稱多腔鋼管-混凝土組合剪力墻．大量的研究表明,鋼管束砼組合剪力墻與普通鋼板剪力墻相比具有承載力高、抗側(cè)剛度大,延性性能好、穩(wěn)定性高、施工方便等特點(diǎn)．但是對(duì)于寬度較大(墻肢長度與厚度比較大)、剪跨比較小的鋼管束砼組合剪力墻,仍存在剪切效應(yīng)較為明顯、延性和耗能能力需要改善等問題[3-9]．為克服整片鋼管束砼組合剪力墻由于剪切效應(yīng)明顯而導(dǎo)致的延性差、耗能能力低的問題．本文提出一種新型的開縫耗能組合剪力墻——帶豎縫的鋼管束砼組合剪力墻,如圖1所示．

“帶縫剪力墻”概念是由日本武藤清[10]首先提出來的．為改善墻體的延性,鋼筋混凝土剪力墻可沿豎向預(yù)留出一條或若干條豎縫將剪力墻分割成多個(gè)墻肢．帶縫剪力墻,可以改善墻體的延性,也可以調(diào)節(jié)墻體的抗側(cè)剛度,從而改善和提高墻體的抗震性能．在鋼筋混凝土帶縫剪力墻概念的基礎(chǔ)上,日本學(xué)者HITAKA等[11]又提出了開縫鋼板剪力墻(Steel Plate Shear Wall,SPSW)．通過在鋼板上切割一系列豎縫,將整塊鋼板轉(zhuǎn)變成為若干縫間板條,將整塊鋼板剪切破壞轉(zhuǎn)變成縫間板條的彎曲破壞,增加墻體的變形能力和耗能能力．趙作周等[12]通過12片開縫鋼板剪力墻試件的往復(fù)加載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不同的墻板開縫層數(shù)會(huì)發(fā)生不同的破壞形態(tài)．開雙層縫的鋼板剪力墻的受力性能優(yōu)于開單層的．袁朝鳳等[13]利用Adina有限元軟件,模擬分析3種不同開縫形式的鋼板剪力墻模型．通過對(duì)其施加低周往復(fù)荷載,對(duì)比分析其抗震性能,提出了較佳的開縫形式．本文在已有的研究基礎(chǔ)上,利用Abaqus有限元分析軟件,對(duì)11片具有不同參數(shù)的帶豎縫鋼管束砼組合剪力墻進(jìn)行數(shù)值模擬分析,模擬分析其在水平低周反復(fù)荷載作用下的性能,研究不同豎縫高度he、豎縫數(shù)量n和豎縫形式s等參數(shù),對(duì)鋼管束砼組合剪力墻受力性能的影響,為試驗(yàn)研究提供理論依據(jù)和支撐．

Fig.1 Steel tube bundle-concrete composite shear wall with slits

1 Abaqus有限元模型

1.1 模擬試件及其參數(shù)

利用Abaqus有限元分析軟件,分別構(gòu)建5組11片具有不同豎縫參數(shù)的鋼管束砼組合剪力墻分析試件,試件信息見表1．11片試件包含1片不帶豎縫的鋼管束砼組合剪力墻STW1,3片帶單排單縫SSTW2,3片帶單排雙縫SSTW3,2片帶雙排單縫SSTW4,2片帶雙排雙縫SSTW5,詳見圖2．每片剪力墻的鋼管束均由方鋼管、U型鋼管和帶豎縫的U型鋼管組成．單根鋼管的截面尺寸為 110 mm×200 mm,墻體總尺寸為H(高度)×B(寬度)×t(厚度)=1 000 mm×1 000 mm×110 mm,鋼板厚度全部為3 mm,墻體剪跨比為1.0,名義高寬比為he/b,詳見圖3．混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35,彈性模量取3.15×104N/mm2,泊松比取0.2．鋼材采用Q345B鋼,彈性模量取2.06×105MPa,泊松比取0.3,鋼板的屈服強(qiáng)度fy=407 MPa,極限強(qiáng)度fu=590 MPa．

1.2 模擬分析及校核

在有限元數(shù)值模擬分析中,劃分網(wǎng)格時(shí)使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化網(wǎng)格技術(shù)劃分每個(gè)部件的網(wǎng)格,鋼管束和混凝土的單元類型全部采用C3D8R單元．邊界條件為:下端固定,上端自由．為使有限元模擬條件和實(shí)際條件一致,模型分析中考慮鋼管束與混凝土之間的接觸,利用罰函數(shù)定義其切向接觸,模擬兩者之間的粘結(jié)作用,摩擦系數(shù)取0.25,法向接觸則模擬為“硬”接觸[14]．鋼材的本構(gòu)采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型,其強(qiáng)化段的斜率取彈性模量的0.5%．混凝土的本構(gòu)關(guān)系選用混凝土損傷模型(Concrete damaged plasticity),混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用規(guī)范[15]中提及的方法計(jì)算．模擬加載過程中,軸壓力保持不變．

Fig.3 Size parameters of steel tube bundle-concrete composite shear wall with slits

表1 模型尺寸參數(shù)

注:NS表示不帶縫,SSS表示帶單排單縫,SDS表示帶單排雙縫,DSS表示帶雙排單縫,DDS表示帶雙排雙縫．

Fig.4 Comparison of failure modes between Abaqus finite ele-ment simulation and experiment

Fig.5 Comparison of skeleton curve between Abaqus finite ele-ment simulation and experiment

為校核有限元模擬分析的可靠性,用文獻(xiàn)[16]中鋼管束砼組合剪力墻試件SSW1 試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬分析結(jié)果對(duì)比(圖4、圖5)．通過對(duì)比分析可見,試件SSW1加載完成后的破壞形態(tài)與有限元模擬最終的破壞形態(tài)相同,鋼管束均在底部連續(xù)鼓屈,角部鋼板撕裂、混凝土壓碎．試驗(yàn)和有限元模擬分析得到的骨架曲線吻合也較好．說明本節(jié)所述的Abaqus建模方法研究帶豎縫鋼管束砼組合剪力墻的受力性能是可行的．

2 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

本文利用Abaqus有限元分析軟件,對(duì)5組11片具有不同豎縫參數(shù)的鋼管束砼組合剪力墻進(jìn)行數(shù)值模擬分析．研究帶豎縫鋼管束砼組合剪力墻受力性能及不同豎縫高度he、豎縫數(shù)量n和豎縫形式s對(duì)其受力性能的影響．通過處理模擬數(shù)據(jù)可以得到各模型的初始剛度、屈服荷載Py、屈服位移Δy、峰值荷載Pmax、峰值位移Δmax、延性系數(shù)等,詳見表2．

2.1 帶豎縫鋼管束砼組合剪力墻受力過程分析

從帶豎縫鋼管束砼組合剪力墻的骨架曲線可以看出,其受力過程主要分為3個(gè)階段:彈性受力階段(從開始加載水平荷載到構(gòu)件根部出現(xiàn)屈服現(xiàn)象),屈服階段(從構(gòu)件開始屈服到出現(xiàn)峰值荷載),破壞階段(從峰值荷載到承載力降低到峰值荷載的85%)．以模型SSTW2-2為例(圖6),其各階段的主要特點(diǎn)是:

表2 模擬數(shù)據(jù)匯總

(1)a點(diǎn)—b點(diǎn)為彈性工作階段,圖7(a)為b點(diǎn)的Mises應(yīng)力云圖．此時(shí)鋼板和混凝土應(yīng)力都很小,處于彈性受力階段,荷載-位移曲線呈線性關(guān)系．鋼板未出現(xiàn)鼓屈現(xiàn)象,鋼板與混凝土之間的粘結(jié)還較好,兩者協(xié)同工作,共同受力．

(2)b點(diǎn)—c點(diǎn)為屈服階段,圖7(b)為c點(diǎn)的Mises應(yīng)力云圖．超過屈服荷載之后,荷載-位移曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折．隨著水平位移的不斷增大,豎縫端部首先出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,隨后剪力墻角部應(yīng)力逐漸增大并且鋼管束開始鼓屈,鼓屈位置主要集中在豎縫端部和邊束的角部．此時(shí)部分鋼板與混凝土接觸面開始分離,混凝土發(fā)生塑性損傷．

(3)c點(diǎn)—d點(diǎn)為破壞階段,圖7(c)為d點(diǎn)的Mises應(yīng)力云圖．帶豎縫鋼管束砼組合剪力墻達(dá)到極限承載力之后,隨著水平位移的增加,荷載開始下降,但下降段平緩．鋼管束的屈服區(qū)域主要集中在豎縫的端部和邊束的角部．墻體底部鋼板鼓屈嚴(yán)重,角部鋼板撕裂．

2.2 不帶豎縫墻與帶豎縫墻受力性能對(duì)比

2.2.1 破壞模式對(duì)比 不帶豎縫鋼管束砼組合剪力墻STW1破壞階段應(yīng)力云圖如圖8所示,與帶豎縫鋼管束砼組合剪力墻破壞階段應(yīng)力云圖(圖7)相比可見:不帶豎縫的剪力墻應(yīng)力主要集中在墻體的中部與角部,剪切效應(yīng)明顯．帶豎縫的剪力墻應(yīng)力主要集中在豎縫的端部與墻體的角部,破壞模式以受彎破壞為主．

2.2.2 滯回曲線與骨架曲線對(duì)比 通過對(duì)比不帶豎縫與帶單排單縫鋼管束砼組合剪力墻的滯回曲線和骨架曲線(圖9、10)可以看出:設(shè)置豎縫后,雖然鋼管束砼組合剪力墻承載力和初始剛度降低,但帶豎縫的剪力墻滯回曲線更加飽滿,到達(dá)峰值荷載后,骨架曲線下降段平緩．說明帶豎縫鋼管束砼組合剪力墻具有更好的延性和耗能能力．

2.2.3 承載力及初始剛度對(duì)比 由表2可見,設(shè)置豎縫后,鋼管束砼組合剪力墻的承載力和初始剛度均降低．其中帶單排雙縫、豎縫高度he=900 mm的鋼管束砼組合剪力墻SSTW3-3降低幅度最大,承載力和初始剛度分別降低了31.68%和44.61%．帶雙排單縫、豎縫高度he=700 mm的鋼管束砼組合剪力墻SSTW4-2降低幅度最小,承載力和初始剛度分別降低了8.28%和5.72%．

2.2.4 延性性能對(duì)比 由表2可見,各帶豎縫鋼管束砼組合剪力墻的位移延性系數(shù)在4.71～5.80之間,位移延性系數(shù)均大于不帶縫鋼管束砼組合剪力墻．表明帶豎縫鋼管束砼組合剪力墻具有更好的延性,試件屈服后具有更好的變形能力．其中帶單排單縫、豎縫高度he=500 mm的鋼管束砼組合剪力墻SSTW2-1延性性能提升幅度最小,延性系數(shù)僅增加了20.77%．帶雙排雙縫、豎縫高度he=700 mm的鋼管束砼組合剪力墻SSTW5-2延性性能提升幅度最大,延性系數(shù)增加了48.72%．

Fig.9 Comparison of hysteretic curves of non-slit shear walls and shear walls with single row-single slit

2.3 不同豎縫參數(shù)對(duì)剪力墻受力性能的影響

通過對(duì)比分析不帶豎縫剪力墻與帶豎縫剪力墻的受力性能可見,豎縫參數(shù)不同,對(duì)鋼管束砼組合剪力墻的受力性能影響很大．因此,本節(jié)對(duì)比分析了不同豎縫高度he、豎縫數(shù)量n和豎縫形式s對(duì)其受力性能的影響．

2.3.1 豎縫高度he的影響 圖11為在相同豎縫數(shù)量和豎縫形式下,不同豎縫高度的鋼管束砼組合剪力墻骨架曲線對(duì)比,可見:

Fig.10 Comparison of skeleton curves of non-slit shear walls and shear walls with single row-single slit

(1)在相同的豎縫數(shù)量和豎縫形式的情況下,4組數(shù)據(jù)隨豎縫高度he變化規(guī)律一致,承載力和初始剛度均隨he增大而減小,但延性系數(shù)隨he增大而增大．

(2)與不帶豎縫剪力墻STW1相比,當(dāng)n=2,s=SDS時(shí),模型SSTW3-1和模型SSTW3-2隨著豎縫高度的增加,承載力和初始剛度降低幅度為12.34%、19.21%和19.62%、37.25%．當(dāng)n=2,s=DDS時(shí),模型SSTW5-1和模型SSTW5-2隨著豎縫高度的變化,承載力和初始剛度下降幅度為10.51%、13.33%和8.19%、18.44%．

由此可見,帶多排豎縫的鋼管束砼組合剪力墻與帶單排豎縫的相比,隨著豎縫高度he的增加,在保持延性性能提高的前提下,承載力和初始剛度降低幅度較?。?/p>

圖11不同豎縫高度的骨架曲線對(duì)比

Fig.11 Comparison of skeleton curves with different heights of slits

2.3.2 豎縫數(shù)量n的影響 圖12為在相同豎縫高度和豎縫形式下,不同豎縫數(shù)量的鋼管束砼組合剪力墻骨架曲線對(duì)比,可見:

(1)在相同的豎縫高度和豎縫形式的情況下,5組數(shù)據(jù)隨豎縫數(shù)量n變化規(guī)律基本一致,承載力和初始剛度均隨n增大而減小,但延性系數(shù)隨n增大而增大．

(2)與不帶豎縫剪力墻STW1相比,當(dāng)設(shè)置單排豎縫,he=700 mm時(shí),模型SSTW2-2和模型SSTW3-2隨著豎縫數(shù)量的增加,承載力和初始剛度下降幅度為13.38%、19.21%和19.59%、37.25%,延性提升幅度為25.13%、26.41%．當(dāng)設(shè)置多排豎縫,he=700 mm時(shí),模型SSTW4-2和模型SSTW5-2隨著豎縫數(shù)量的增加,承載力和初始剛度下降幅度為11.56%、13.33%和11.63%、18.44%,延性提升幅度為27.95%、48.72%．由此可見,帶單排豎縫的鋼管束砼組合剪力墻隨豎縫數(shù)量的增加,承載力和初始剛度降低幅度很大,但延性提高幅度很?。畮Ф嗯咆Q縫的鋼管束砼組合剪力墻隨著豎縫數(shù)量的增加,延性提高幅度很大,承載力和初始剛度下降幅度也較?。?/p>

2.3.3 豎縫形式s的影響 圖13為在相同豎縫高度和豎縫數(shù)量下,不同豎縫形式的鋼管束砼組合剪力墻骨架曲線對(duì)比,可見:

(1)在相同的豎縫高度和豎縫數(shù)量的情況下,4組數(shù)據(jù)隨豎縫形式s變化規(guī)律基本一致,豎縫形式由單排豎縫變?yōu)槎嗯咆Q縫,承載力和初始剛度增大,延性性能也提高．

(2)當(dāng)豎縫高度he越大,豎縫數(shù)量n越多,設(shè)置多排豎縫的作用就越明顯．

3 結(jié) 論

本文利用Abaqus有限元分析軟件,對(duì)11片具有不同參數(shù)的帶豎縫鋼管束砼組合剪力墻進(jìn)行數(shù)值模擬分析,研究了帶豎縫鋼管束砼組合剪力墻的受力性能,以及不同豎縫高度he、豎縫數(shù)量n和豎縫形式s對(duì)其受力性能的影響．得出以下主要結(jié)論:

(1)帶豎縫的鋼管束砼組合剪力墻表現(xiàn)出良好的受力性能．與普通鋼管束砼組合剪力墻相比,帶豎縫的剪力墻具有更好的延性和耗能能力．

(2)隨著豎縫高度和豎縫數(shù)量的增加,帶豎縫鋼管束砼組合剪力墻的延性和耗能能力明顯提升,但承載力和初始剛度有所降低．

(3)設(shè)置豎縫會(huì)使鋼管束砼組合剪力墻承載力和初始剛度降低,但是改變豎縫形式可以有效地改善這一弊端,帶多排豎縫的鋼管束砼組合剪力墻,延性和耗能能力更佳,承載力和剛度降低幅度也較小．

本文只通過有限元分析軟件對(duì)帶豎縫鋼管束砼組合剪力墻的受力性能進(jìn)行了初步探討,今后有必要拓展該類構(gòu)件的抗震性能試驗(yàn),進(jìn)一步論證不同豎縫高度he、豎縫數(shù)量n和豎縫形式s對(duì)其受力性能的影響,給出最優(yōu)的開縫參數(shù),為工程實(shí)踐提供依據(jù)．