新型鋼板組合剪力墻力學(xué)性能研究

張國(guó)發(fā)， 沈勇， 周觀根， 楊海平， 吳旖文

（1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院，杭州 311200；2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310058；3.浙江東南網(wǎng)架集團(tuán)有限公司，杭州 311200；4.浙江潮遠(yuǎn)建設(shè)有限公司，杭州 311200）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代綠色建筑，具有良好的機(jī)械加工性能，易拼裝，輕質(zhì)高強(qiáng)，最適合建筑的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、裝配化和現(xiàn)代化，而混凝土材料作為傳統(tǒng)的建筑材料，有很好的抗壓性能。由鋼結(jié)構(gòu)和混凝土材料組合而成的鋼板組合剪力墻能很好的滿足小高層、高層住宅項(xiàng)目的需求。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼板組合剪力墻進(jìn)行一定的研究，Sohel等[1，2]提出了帶有J型抗剪連接件的雙鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)并通過汽車撞擊試驗(yàn)和數(shù)值模擬證明了含有連接件的墻體具有良好的整體性能以及優(yōu)越的抗沖擊性能；彭曉彤、顧強(qiáng)等[3-6]對(duì)半剛性連接鋼框架（強(qiáng)、弱軸）-內(nèi)填鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)開展一系列試驗(yàn)和理論研究；吳函恒[7]提出了一種新型鋼框架-預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻裝配式結(jié)構(gòu)體系（SPW體系），對(duì)該體系的受力性能與計(jì)算理論進(jìn)行專題研究；曹晨[8]對(duì)鋼框架-預(yù)制RC剪力墻抗側(cè)力體系進(jìn)行了理論分析及試驗(yàn)研究；陳敖宜等[9]對(duì)國(guó)內(nèi)主要的高層裝配式住宅受力體系進(jìn)行了總結(jié)，包括遠(yuǎn)大可建鋼結(jié)構(gòu)公司的鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系、杭蕭鋼構(gòu)開發(fā)的“鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系”和“鋼管束組合結(jié)構(gòu)體系”。但目前新型鋼板組合剪力墻的開發(fā)研究仍相對(duì)較少，不能滿足建筑行業(yè)對(duì)鋼板組合剪力墻多樣化的需求[10-12]。

因此，文中根據(jù)鋼板組合剪力墻的構(gòu)成原則，考慮適應(yīng)建筑布置的靈活性、制作工廠化、模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化等需求，提出新的鋼板組合剪力墻形式，為實(shí)際工程提供更豐富的選擇；對(duì)新的鋼板組合剪力墻建立相應(yīng)有限元模型并進(jìn)行分析計(jì)算，驗(yàn)證新型鋼板組合剪力墻可行性及規(guī)程相應(yīng)計(jì)算公式的適用性，為實(shí)際工程提供可行性參考。

1 新型鋼板組合剪力墻

新型鋼板組合剪力墻由外側(cè)雙鋼板與矩形鋼管、內(nèi)部空間鋼筋桁架焊接而成的具有多個(gè)豎向連通腔體的結(jié)構(gòu)單元，如圖1所示。新型鋼板組合剪力墻內(nèi)部澆筑混凝土，形成一種以一字型、L型、T型、Z字型為主要構(gòu)造形式的組合構(gòu)件。

圖1 新型鋼板組合剪力墻

2 有限元模型

2.1 試件設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)11個(gè)新型鋼板組合剪力墻模型，試件尺寸如表1所示。

表1 鋼板組合剪力墻試件尺寸mm

其中試件一（SCW-1）為基準(zhǔn)構(gòu)件，截面類型為一字型，剪力墻寬1500mm，墻高3000mm，墻厚150mm。剪力墻兩端有端柱，端柱尺寸為150mm×150mm，鋼板強(qiáng)度等級(jí)為Q345，鋼板厚度均為4mm，鋼筋桁架水平間距及豎向間距均為200mm，鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB400，直徑為8mm，鋼板組合剪力墻內(nèi)部空腔灌注混凝土，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。試件如圖2所示。

圖2 試件布置（單位：mm）

2.2 試件模型

采用有限元軟件Abaqus建立新型鋼板組合剪力墻有限元分析模型，其中鋼板墻體和端柱、角鋼、混凝土墻體以及混凝土端柱均采用三維實(shí)體單元C3D8R模擬，鋼筋桁架采用三維桁架單元T3D2模擬，混凝土組件和鋼組件之間的作用設(shè)置接觸單元模擬。

2.3 參數(shù)設(shè)置

模型混凝土應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系輸入?yún)?shù)見表2。Abaqus中混凝土有5個(gè)材料參數(shù)，分別為膨脹角、偏心率、雙軸與單軸初始屈服強(qiáng)度比σb0/σc0、拉壓子午面第二應(yīng)力不變量的比值K和粘性參數(shù)。參考Abaqus軟件材料定義中默認(rèn)的取值，結(jié)合文中的多次分析比較，綜合考慮收斂性及分析精確性和計(jì)算效率，這5個(gè)參數(shù)的取值見表3。

表2 混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系參數(shù)

表3 混凝土損傷塑性模型參數(shù)取值情況

2.4 非線性類型與接觸

文中研究的問題包括幾何非線性、材料非線性。塑性理論是解決材料非線性問題的方法，幾何非線性問題通常采用增量分析方法。

在用Abaqus建模時(shí)考慮到內(nèi)部混凝土和外部鋼板更好的接觸，鋼板與混凝土接觸面法向采用“硬”接觸設(shè)置，切向采用庫倫摩擦模型設(shè)置，摩擦系數(shù)按照鋼板與混凝土之間的常用參數(shù)取為0.5。

2.5 各部件間連接關(guān)系

建模時(shí)角鋼與鋼板間有共同節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)角鋼與鋼板的共節(jié)點(diǎn)變形；鋼筋桁架與角鋼間有共同節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)鋼筋桁架與角鋼間的共節(jié)點(diǎn)變形；為簡(jiǎn)化計(jì)算，通過內(nèi)置操作，實(shí)現(xiàn)鋼筋桁架與混凝土間的共節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)變形。

2.6 網(wǎng)格劃分

端柱內(nèi)及鋼板墻體內(nèi)混凝土沿高度方向分為30層，網(wǎng)格尺寸100mm，沿截面邊長(zhǎng)方向分為3層，網(wǎng)格尺寸50mm。端柱及鋼板墻體的鋼板沿高度方向網(wǎng)格尺寸為80mm，沿厚度方向分為2層。

3 豎向加載數(shù)值模擬

剪力墻在實(shí)際工程中被設(shè)計(jì)為同時(shí)承受豎向荷載和水平荷載。豎向荷載作用下可能出現(xiàn)的整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)，有可能會(huì)顯著降低其結(jié)構(gòu)性能，故需要對(duì)軸壓作用下的鋼板組合剪力墻的力學(xué)性能進(jìn)行研究。采用Abaqus對(duì)構(gòu)件進(jìn)行豎向加載數(shù)值模擬。

3.1 荷載及邊界條件

對(duì)試件SCW-1墻體底部施加軸x、y、z三向位移約束及繞x、繞y、繞z軸轉(zhuǎn)角約束，實(shí)現(xiàn)墻體底部固定約束；對(duì)墻體頂部施加軸x、y向位移約束及繞x、繞z軸轉(zhuǎn)角約束，釋放豎向變形及繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在加載頂端設(shè)置參考點(diǎn)，設(shè)置試件頂面與參考點(diǎn)之間的變形耦合約束，通過對(duì)參考點(diǎn)施加豎向位移（20mm）模擬軸壓工況。

3.2 破壞形式

以基準(zhǔn)構(gòu)件SCW-1為例，介紹鋼板組合剪力墻在豎向加載下的破壞形式。加載初期，墻體應(yīng)力隨著荷載的增加而均勻增加，墻體中部首先進(jìn)入屈服階段，隨著荷載的進(jìn)一步增加，墻體在平面內(nèi)向一側(cè)發(fā)生較大變形而破壞。墻體發(fā)生破壞時(shí)，組合墻體的鋼板、角鋼和鋼筋桁架、混凝土各部分應(yīng)力分布以及混凝土與鋼板間的接觸應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 試件應(yīng)力分布圖

加載過程中，荷載與組合墻體豎向變形關(guān)系曲線如圖4所示；荷載與組合墻體平面外變形關(guān)系曲線如圖5所示；荷載與組合墻體平面內(nèi)變形關(guān)系曲線如圖6所示。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，隨著荷載的增加，組合墻體先是向平面內(nèi)一個(gè)方向發(fā)生變形，當(dāng)荷載達(dá)到墻體極限承載力后，墻體在平面內(nèi)向相反方向發(fā)生較大變形而破壞。

圖4 荷載與組合墻體豎向變形曲線

圖5 荷載與組合墻體平面外變形曲線

圖6 荷載與組合墻體平面內(nèi)變形曲線

3.3 參數(shù)化分析

對(duì)SCW-1～SCW-11等11個(gè)試件進(jìn)行豎向加載數(shù)值模擬，其極限承載力統(tǒng)計(jì)如表4所示。

比較試件SCW-1～SCW-3可以發(fā)現(xiàn)，高寬比是影響組合墻體受力的一個(gè)重要因素，墻高保持3000mm不變，當(dāng)墻寬從1200mm減小到600mm時(shí)，墻體的極限承載力從11565kN降低到8576kN。比較試件SCW-1、SCW-4～SCW-7可以發(fā)現(xiàn)，鋼筋桁架豎向間距或水平間距從200增加到400mm時(shí)，墻體的極限承載力幾乎沒有變化，分析認(rèn)為，鋼筋桁架剛度與組合墻的鋼板、混凝土部分剛度相比較小，對(duì)組合墻體的承載力幾乎沒有影響，鋼筋桁架布置屬于組合墻的構(gòu)造部分。比較試件SCW-1、SCW-8、SCW-9可以發(fā)現(xiàn)，組合墻體的鋼板厚度從4mm增加到6、8mm時(shí)，組合墻的極限承載力從11565kN分別增加到13827kN和16053kN，由此可見，增加鋼板厚度可以大幅提高組合墻體的承載力，但考慮到建造成本需要控制用鋼量，4mm厚鋼板已能滿足結(jié)構(gòu)受力要求。比較試件SCW-1、SCW-10、SCW-11可以發(fā)現(xiàn)，組合墻體的厚度從150mm增加到180、200mm時(shí)，組合墻的極限承載力從11565kN分別增加到12961kN和13855kN，由此可見，增加墻體厚度可明顯提高組合墻的承載力，但考慮到建筑功能及構(gòu)造要求，墻體厚度不宜過大，一般墻厚取為150～200mm較為合適。

4 擬靜力推覆分析

剪力墻作為高層、超高層建筑的主要抗側(cè)力構(gòu)件，其抗震性能和抗震設(shè)計(jì)方法的研究對(duì)保證結(jié)構(gòu)安全，減小地震災(zāi)害具有重要意義。剪力墻的抗震性能一般從強(qiáng)度、剛度、延性、耗能能力、剛度退化等方面來衡量，剪力墻的抗震設(shè)計(jì)則包括承載力計(jì)算方法、延性控制、構(gòu)造措施等方面。通過有限元擬靜力推覆模擬分析研究組合剪力墻地震作用下的受力性能。

4.1 荷載及邊界條件

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件SCW-1墻體底部施加軸x、y、z三向位移約束及繞x、繞y、繞z軸轉(zhuǎn)角約束，實(shí)現(xiàn)墻體底部固定約束；對(duì)墻體頂部施加軸y向位移約束及繞x、繞z軸轉(zhuǎn)角約束，釋放豎向變形及繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在加載頂端設(shè)置參考點(diǎn)，設(shè)置試件頂面與參考點(diǎn)之間的變形耦合約束，對(duì)參考點(diǎn)施加豎向荷載，荷載按墻體軸壓比0.4取值，通過對(duì)參考點(diǎn)施加水平位移（50mm）模擬水平擬靜力推覆工況。

4.2 破壞形式

對(duì)試件SCW-1進(jìn)行水平位移加載時(shí)，組合剪力墻左側(cè)底部為受拉區(qū)，右側(cè)底部為受拉區(qū)。隨著荷載的增加，鋼板受拉區(qū)和受壓區(qū)分別達(dá)到屈服強(qiáng)度而進(jìn)入塑性，如圖7（a）所示；角鋼及鋼筋桁架應(yīng)力變化與鋼板相同，如圖7（b）所示；混凝土墻體受拉區(qū)和受壓區(qū)也分別達(dá)到屈服強(qiáng)度而進(jìn)入塑性階段，如圖7（c）、圖（d）所示，從圖中可以看出，僅在組合墻體受拉區(qū)和受壓區(qū)處存在混凝土與鋼板間的接觸應(yīng)力。

圖7 試件應(yīng)力分布圖

加載過程中，荷載與組合墻體水平變形關(guān)系曲線如圖8所示。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，隨著荷載的增加，組合墻體荷載與水平位移近似呈線性增加，此時(shí)墻體各部分處于彈性受力階段；當(dāng)荷載達(dá)到墻體極限承載力后，組合墻體進(jìn)入塑性階段，水平位移快速增加而最終破壞。

圖8 荷載與組合墻體水平變形關(guān)系曲線

5 水平循環(huán)加載模擬分析

5.1 荷載及邊界條件

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件SCW-1墻體底部施加軸x、y、z三向位移約束及繞x、繞y、繞z軸轉(zhuǎn)角約束，實(shí)現(xiàn)墻體底部固定約束；對(duì)墻體頂部施加軸y向位移約束及繞x、繞z軸轉(zhuǎn)角約束，釋放豎向變形及繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在加載頂端設(shè)置參考點(diǎn)，設(shè)置試件頂面與參考點(diǎn)之間的變形耦合約束，對(duì)參考點(diǎn)施加豎向荷載，荷載按墻體軸壓比0.4取值，通過對(duì)參考點(diǎn)施加水平位移模擬水平往復(fù)加載，加載制度如圖9所示，共28個(gè)荷載步，先正向加載，再反向加載，位移幅值最大值為50mm，每次循環(huán)增幅為5mm。

圖9 水平荷載加載制度

5.2 破壞形式

標(biāo)準(zhǔn)試件SCW-1在水平往復(fù)加載下受力至破壞的發(fā)展過程可分為3個(gè)階段：

（1）彈性階段。此階段試件未發(fā)生明顯的鼓曲和鋼板撕裂，混凝土未發(fā)生明顯的壓碎現(xiàn)象，鋼板和混凝土之間的粘結(jié)未發(fā)生破壞，試件的頂點(diǎn)水平位移荷載曲線基本呈線性發(fā)展。

（2）塑性強(qiáng)化階段。隨著荷載的增加，在試件的兩側(cè)開始出現(xiàn)鼓曲和鋼板撕裂現(xiàn)象，鋼板和混凝土之間的粘結(jié)也逐漸破壞，隨著水平位移的增大，鼓曲從墻體兩側(cè)逐漸向中部發(fā)展，鋼板撕裂也逐漸擴(kuò)展，混凝土逐漸被壓碎，試件剛度不斷降低，直至水平荷載達(dá)到峰值。

（3）破壞退化階段。水平荷載達(dá)到峰值后，鋼板屈服和混凝土壓碎的范圍基本達(dá)到極限，承載力開始下降，混凝土逐漸退出工作，持續(xù)增大的水平位移使得鋼板撕裂迅速開展，直至貫通。

試件SCW-1水平荷載-位移骨架曲線如圖10所示，試件SCW-1破壞時(shí)各部分受力情況如圖11所示。

圖10 荷載-位移骨架曲線

圖11 試件應(yīng)力分布

5.3 滯回曲線

試件SCW-1頂點(diǎn)水平荷載-位移（p-Δ）滯回曲線如圖12所示。由圖12可知，當(dāng)加載位移較小時(shí)，滯回環(huán)面積相對(duì)較小，荷載和位移大致呈線性關(guān)系；當(dāng)荷載達(dá)到峰值承載力后，每一圈滯回曲線的承載力開始下降。數(shù)值模擬滯回曲線比較飽滿，沒有出現(xiàn)明顯的捏攏效果，分析原因是建模時(shí)把鋼筋骨架整體嵌入至整個(gè)模型中，未考慮鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移。

圖12 荷載-位移滯回曲線

6 墻體軸壓承載力設(shè)計(jì)方法

表5列出有限元計(jì)算承載力和規(guī)范公式計(jì)算軸壓承載力的對(duì)比關(guān)系，其中材料強(qiáng)度取值分別為鋼材屈服強(qiáng)度和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。有限元計(jì)算構(gòu)件軸壓極限承載力和規(guī)范公式計(jì)算的構(gòu)件軸壓極限承載力較為接近，驗(yàn)證了規(guī)范公式計(jì)算新型鋼板組合剪力墻軸壓極限承載力的適用性。

表5 構(gòu)件軸壓極限承載力 kN

7 墻體壓彎承載力計(jì)算公式驗(yàn)證

按抗彎承載力計(jì)算公式計(jì)算部分試件的極限荷載，并考慮效應(yīng)，材料強(qiáng)度取值分別為鋼材屈服強(qiáng)度和混凝土軸心強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表6所示。有限元計(jì)算構(gòu)件抗彎承載力和規(guī)范公式計(jì)算的構(gòu)件壓彎承載力較為接近，驗(yàn)證了規(guī)范公式計(jì)算新型鋼板組合剪力墻壓彎承載力的適用性。

表6 抗彎承載力對(duì)比kN

8 結(jié)語

（1）鋼板組合剪力墻在豎向加載、水平擬靜力推覆及水平循環(huán)加載下均表現(xiàn)出較好的承載能力，受力及變形趨勢(shì)與現(xiàn)有常用鋼板剪力墻相一致，符合理論預(yù)期。

（2）通過參數(shù)化分析發(fā)現(xiàn)，隨著高寬比的增大，墻體的豎向極限承載力有較大幅度的降低；鋼筋桁架豎向間距或水平間距變化，墻體的豎向極限承載力幾乎沒有變化，鋼筋桁架布置屬于組合墻的構(gòu)造部分；增加鋼板厚度可以大幅提高組合墻體的豎向承載力，但考慮到建造成本需要控制用鋼量，4mm厚鋼板已能滿足結(jié)構(gòu)受力要求；增加墻體厚度可明顯提高組合墻的豎向承載力，但考慮到建筑功能及構(gòu)造要求，墻體厚度不宜過大，一般墻厚取為150～200mm較為合適。

（3）通過有限元計(jì)算承載力與規(guī)范公式計(jì)算承載力比較，驗(yàn)證了軸壓承載力、壓彎承載力作用下規(guī)范公式的適用性，通過規(guī)范公式計(jì)算的承載力可以為新型鋼板剪力墻應(yīng)用于實(shí)際工程提供參考。