單鋼板組合剪力墻各構件抗剪比例有限元分析

□□ 武 豪 (山西鐵道職業(yè)技術學院 交通工程系，山西 太原 030002)

引言

豎向荷載下通常采用加厚RC剪力墻墻體減小軸壓比，以使得其滿足規(guī)范要求。然而加厚墻體不僅占用建筑面積、破壞建筑外觀，而且同等條件下加大了結構重力與地震力。相對理想的改進方式是選用鋼板剪力墻，鋼板剪力墻自重輕且便于加工，可將鋼材的強度、韌性及抗震耗能優(yōu)勢較好地發(fā)揮出來，但鋼板剪力墻的構件樣式還有待改進，抗火能力的提升與施工技術的完善同樣需要更多的工程實踐來進一步完善。

鋼板-混凝土組合剪力墻是基于以上兩類剪力墻發(fā)展而來的，兼具兩者的優(yōu)勢，施工難度低(如雙鋼板可兼做混凝土澆筑時的模板)、建筑空間占用較少、材料循環(huán)利用率高，更加符合當代超高層建筑的產業(yè)需求。單鋼板組合剪力墻是其中的一種重要類型，其優(yōu)勢體現(xiàn)在：

(1)RC板相較純鋼板剛度較大，更可對中間鋼板起到平面外支撐的作用，防止鋼板出現(xiàn)失穩(wěn)的屈曲破壞，而且混凝土耐火能力遠優(yōu)于鋼材，能夠作為高溫條件下內嵌鋼材的保護層，提升試件整體的耐火性能[1]。

(2)中心鋼板可通過焊接等方式與周邊混凝土框架或鋼框架梁、柱連接，構造簡單，施工難度低且連接強度更高。

郭全全等[2]分別在無軸壓力與軸壓比比較小(<0.2)的情況下，考慮有效應力系數(shù)并運用交叉斜桿模型擬合出了SC剪力墻的斜截面計算公式，提出拉桿與壓桿相互垂直，與日本設計指南中的公式比較后結果較好。范重等[3-4]對SPCW的拉彎性能及軸壓比影響進行了探究，運用Marc軟件模擬某項目中的墻體構造，定義了割線剛度，探究其在往復荷載下軸向拉、壓比對試件的影響，并運用纖維模型軟件Xtract得出結果偏于安全。

針對試驗研究中試件個數(shù)與量測手段局限性較大，且模擬中對各構件抗剪比例研究較少的現(xiàn)狀，本文運用ABAQUS對16組單鋼板-混凝土組合剪力墻進行單向位移控制的剪力加載，在驗證建模方式可靠的基礎上，以剪跨比與鋼板板厚作為變量參數(shù)，比較各試件的抗剪能力以及各構件的抗剪貢獻差異。

1 FEM模型的建立

試件建模中，混凝土的材性采用“損傷塑性”定義，并用損傷因子模擬隨著加載進行混凝土剛度退化甚至退出工作的準脆性。選用Saenz本構模型，并在塑性參數(shù)中用膨脹角表征材料的剪脹性[5]。

試件中的全部鋼材均采用符合ABAQUS中的“塑性材料”定義要求，泊松比為0.3的各向同性材料。鋼板與端部型鋼采用二折線模型，認為屈服后鋼材應力維持不變。鋼筋與栓釘采用兩斜線模型，認為在彈性階段之后仍具有較大強化作用[6]。

本文模型在“Interaction”模塊中設置的接觸對與相互關系有：

(1)鋼筋與混凝土整體性較好，因而選用“內置區(qū)域”，認為是沒有相互滑移分離的整體。

(2)端部型鋼與中部鋼板、中部鋼板與栓釘之間選用“捆綁連接”，認為施工過程中焊縫強度不低于鋼材本身強度，即不會在焊縫處出現(xiàn)破壞，更不會在接觸面上隨著試驗進行而發(fā)生相互錯動。

(3)通過設置切削面，對混凝土塊體進行挖洞，以建立混凝土與栓釘表面之前的接觸對，通過設定法向的“硬”接觸與切向的“罰”函數(shù)摩擦受力特性分別定義該部分接觸特性，模擬混凝土孔壁與鋼筋栓釘不會發(fā)生材質相互穿入，但有可能表面相互滑動的現(xiàn)象。

在驗證建模方法合理后[7-8]，對原試驗中的試件進行簡化，將不必要的構件去除，只取單肢剪力墻體與兩側端部型鋼進行縮尺模型分析。組合剪力墻選取剪跨比與鋼板板厚作為變量參數(shù)，橫截面為800 mm×100 mm，通過改變高度，調整剪跨比為0.50、0.75、1.00以及1.25共4個等級；鋼板板厚則選取4 mm、5 mm、6 mm以及8 mm共4個等級。端部型鋼選用100 mm×100 mm×20 mm×20 mm的焊接工字鋼，與內嵌鋼板焊接為整體?；炷吝x用C30強度等級；端部型鋼與鋼板均選用Q235牌號的鋼材；分布鋼筋選用HPB300熱軋鋼筋，布置排列為雙向Φ8@100；栓釘采用截斷為35 mm的HPB300鋼筋，布置排列也為雙向Φ8@100，試件參數(shù)見表1。將剪力墻底端設為固定端，在頂部施加位移控制的水平剪力。為均勻化頂部的剪力分布，增設剛體受荷部件，調整其材性中的彈性模量為無窮大，對試件整體的位移與反力等觀測結果不會造成影響。剪力墻的構件設計及剖面配鋼如圖1所示。

圖1 部分試件幾何尺寸與配鋼圖

表1 試驗主要參數(shù)

2 各構件抗剪比例分析

為探究各部分構件對墻體整體的抗剪比例，從模型底部的固定端用“節(jié)點集”分別提出鋼筋混凝土部分、鋼板部分以及端部型鋼部分各個節(jié)點的反力，在用sum函數(shù)求和后與試件總反力繪制在圖2中(只繪制λ為0.5以及1.0的8個試件)?？傻贸?，不同構件隨著加載進行呈現(xiàn)出不同的發(fā)展規(guī)律。在規(guī)范規(guī)定的抗剪承載力計算公式中，混凝土與分布鋼筋當做整體部分計算，這部分在受載初期的彈性階段承擔剪力較多，對于小剪跨比試件，直至峰值反力前均作為主要反力承擔構件。由于本構關系與損傷因子的定義，混凝土的應變隨著位移荷載的增大而增加，應力也隨之降低，表現(xiàn)為分擔的抗剪比例逐漸減少。綜合16組試件發(fā)現(xiàn)，所有試件的鋼筋混凝土部分均在受載末期反力最小，這與實體試驗進行時加載后期斜壓桿帶混凝土塊體的開裂及碎落事實相符。

由圖2(a)、(b)、(e)、(f)可看出，鋼板板厚為4 mm或5 mm時，在受載初期鋼板分擔剪力較少，表明此階段主要由鋼筋混凝土和端部型鋼承擔試件整體的反力；隨著混凝土逐漸退出工作，由于鋼板材性定義中屈服平臺較長，且混凝土與分布鋼筋可防止其平面外屈曲，因此得以維持較高的承載力。

圖2 部分構件的抗剪貢獻對比圖

為研究試件抗剪能力，此次試驗采用“強彎弱剪”的設計原則，選用剛度較大的端部型鋼構件以增強抗彎能力。由圖2(i)可知，鋼板中與混凝土斜壓桿帶相垂直的單向“斜拉桿”明顯，說明有效防止了彎曲破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)。端部型鋼構件在不同編號試件中反力的變化規(guī)律都與鋼板相似。小剪跨比下，不同試件中端部型鋼在加載后期抗剪比例均為最大；剪跨比增大后，鋼板分擔的抗剪比例增多甚至超過工字鋼，表明在大剪跨比下增加鋼板板厚可以更有效地增強試件的抗剪能力。

在16組試件的反力-位移圖線中峰值剪力以及最終剪力處，計算各構件的抗剪比例，見表2。由表2可得，當剪跨比一定時，隨著鋼板板厚的增大，鋼筋混凝土部分的抗剪比例降低，鋼板部分抗剪比例穩(wěn)定提高，端部型鋼抗剪比例有所減小。

表2 不同構件抗剪貢獻對比(總剪力為100%，鋼板厚度單位為mm) %

鋼板板厚一定時，隨著剪跨比增大，鋼筋混凝土部分在峰值剪力處的抗剪比例降低，鋼板部分抗剪比例逐漸提高，端部型鋼變化不明顯；而在加載后期，剪跨比較大的試件中除了端部型鋼的抗剪比例逐漸減少，其余部分的抗剪比例均有所增大。

綜合16組試件可知，在試件位移較大時均由鋼板和端部型鋼作為主要抗剪部分，隨著鋼板板厚和剪跨比增大，鋼板逐漸成為墻體試件反力的主要提供構件。表明在工程運用中，相較于其他方式，增加鋼板板厚能夠更為有效地提高組合剪力墻的抗剪承載能力。

3 結論

本文運用有限元分析方法比較了小剪跨比下的16組試件隨加載進行的抗剪比例變化。通過比較加載過程中各構件占組合剪力墻整體的抗剪比例得出結論如下：

3.1 當剪跨比增大時，增加鋼板板厚是提高組合剪力墻抗剪能力的有效方式。

3.2 剪跨比相同時，隨著鋼板板厚增大，鋼板的抗剪比例逐漸多于端部型鋼。

3.3 鋼板板厚相同時，隨著剪跨比提高，最大反力處鋼筋混凝土部分所分擔的抗剪比例有所降低，但在加載后期略微提高；鋼板逐漸成為主要抗剪構件；端部型鋼構件的抗剪比例在加載后期逐漸減小。