帶鋼板耗能鍵的鋼管混凝土排柱剪力墻抗震分析*

王海軍，呂叢叢，魏　華

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽 110870)

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帶鋼板耗能鍵的鋼管混凝土排柱剪力墻抗震分析*

王海軍，呂叢叢，魏華

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽 110870)

為了分析帶鋼板耗能鍵的鋼管混凝土排柱剪力墻的抗震性能，采用ABAQUS有限元分析軟件，在低周往復(fù)荷載下，對4個不同設(shè)計參數(shù)的試件進(jìn)行了破壞特征、滯回特性、耗能能力、承載力、延性、強(qiáng)度退化及剛度退化的研究，得出各試件應(yīng)力云圖、骨架曲線和滯回曲線，計算出承載力和位移延性比.結(jié)果表明，該組合剪力墻的承載力較高，剛度較大，耗能能力強(qiáng)，延性較大，抗震性能良好；隨著鋼板數(shù)量的增加，結(jié)構(gòu)的承載力、耗能能力均提高，但延性下降，外包混凝土能大大提高結(jié)構(gòu)的承載力和耗能能力.

鋼板耗能鍵；鋼管混凝土排柱；承載力；骨架曲線；滯回曲線；屈服荷載；極限位移；耗能能力

高層建筑材料主要包括鋼筋、混凝土和鋼，由這幾種材料組合到一起所形成的結(jié)構(gòu)應(yīng)用愈來愈廣泛.隨著高層建筑結(jié)構(gòu)中的剪力墻承擔(dān)豎向荷載和水平荷載的任務(wù)越來越大，為了改善普通鋼筋混凝土剪力墻的延性，避免出現(xiàn)過厚的墻體，使其在小震作用下有足夠抗側(cè)剛度，強(qiáng)震作用下率先進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼來耗散能量[1].鋼-混凝土組合剪力墻形式有很多，可以將不同尺寸的型鋼、鋼管和鋼板等與混凝土在剪力墻的不同部位進(jìn)行不同形式的組合[2].作為綜合性能突出的鋼-混凝土組合剪力墻，通過發(fā)揮不同材料和不同結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)，使其具有承載能力高、剛度大、延性以及耗能能力良好等優(yōu)點(diǎn)[3]，適用于高層建筑和復(fù)雜綜合超高層建筑.聶建國[4]研究了鋼板-混凝土組合剪力墻的抗震性能；魏華[5-6]在鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了力學(xué)性能的試驗(yàn)研究；王海軍、孔祥宇[7]利用格構(gòu)式鋼管混凝土，探究其在風(fēng)力機(jī)塔架上的應(yīng)用，對其力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性、施工性下降的問題進(jìn)行了探討；羅志國[8]通過彈性靜力分析、彈塑性有限元分析和試驗(yàn)3個方面，對矩形鋼管混凝土端柱-混凝土組合剪力墻的力學(xué)性能進(jìn)行研究；馬琳[9]通過采用有限元分析軟件ANSYS，在循環(huán)荷載作用下對37個單層單跨的組合鋼板剪力墻實(shí)體模型進(jìn)行了抗震性能分析.本文研究的是帶鋼板耗能鍵的鋼管混凝土組合剪力墻，該組合剪力墻的骨架結(jié)構(gòu)由鋼管混凝土柱和鋼板耗能鍵組成.

1　模擬構(gòu)件概況

基于ABAQUS非線性有限元模擬分析方法，具有全過程仿真的特征，在計算機(jī)上按照構(gòu)件真實(shí)的材料特性、邊界條件和荷載工況對模型進(jìn)行

研究.

有限元模型設(shè)計的基本部件尺寸參數(shù)如圖1所示(單位：mm).方鋼管混凝土柱的尺寸為140 mm×140 mm×4 mm，方鋼管壁厚4 mm，設(shè)計4個不同參數(shù)的試件，如表1所示.試件的混凝土均采用C40，鋼管和鋼板均采用Q235鋼材，鋼筋采用二級鋼HRB335，材料強(qiáng)度均采用設(shè)計值，組合剪力墻為對稱式.

圖1　剪力墻模型基本尺寸

試件編號鋼板厚度/mm鋼板布置鋼板數(shù)量鋼板長寬/mm外包混凝土方鋼管混凝土柱數(shù)目CFPW-15單排雙層4160×160無3CFPW-25雙排雙層8160×160無3CFPW-35單排雙層4160×160有3CFPW-45雙排雙層8160×160有3

2　有限元模型的建立

2.1材料本構(gòu)關(guān)系

鋼管混凝土柱中的核心混凝土采用彈塑性損傷模型，受壓本構(gòu)關(guān)系采用劉威對韓林修正之后的鋼管混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變公式，受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)推薦的受拉模型[10]，如圖2所示.外包混凝土的受拉、受壓本構(gòu)均參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010).鋼管、鋼板選用雙線性模型，用斜直線來代替塑性階段及強(qiáng)化階段，屈服后彈性模量為0.01Es，Es為初始彈性模量，屈服準(zhǔn)則遵守Von Mises屈服準(zhǔn)則及相應(yīng)流動法則.鋼筋采用完全彈塑性雙直線模型，沒有硬化階段，相對簡單，有利于模型的收斂.

圖2　混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2單元選取及網(wǎng)格化分

模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，并選用中性軸算法，以便得到較規(guī)則的六面體單元，混凝土采用8節(jié)點(diǎn)線性減縮積分三維實(shí)體單元C3D8R.在施加位移荷載時，線性減縮積分單元可得到較高的計算精度.鋼管及鋼板采用殼單元S4R，鋼筋選用2節(jié)點(diǎn)線性桁架單元T3D2.在保證精度的原則下，分別對不同部位劃分合適密度的網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分情況如圖3所示.

圖3　網(wǎng)格劃分示意圖

2.3接觸模擬

鋼管與管內(nèi)混凝土法向接觸面定義為硬接觸，切向接觸定義為庫倫摩擦模型，傳遞剪應(yīng)力，滑移系數(shù)選為0.5.鋼管混凝土排柱與加載梁和基礎(chǔ)梁均采用綁定約束，利用embed功能將鋼筋和鋼板耗能鍵嵌入到外包混凝土中，使鋼板、鋼筋和混凝土單元能夠共用節(jié)點(diǎn).豎向荷載分兩個分析步施加到加載梁上，避免接觸狀態(tài)發(fā)生劇烈變化，保證收斂的運(yùn)行.

2.4邊界條件及加載方式

結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)梁底部設(shè)為固端約束，限制其6個方向的自由度，在距離加載梁的頂部和側(cè)端5 mm的距離分別建立相應(yīng)參考點(diǎn)，跟加載面形成耦合約束(distributing coupling)，需要施加的載荷定義到參考點(diǎn)上，頂端施加的是豎向荷載，側(cè)端施加的是位移荷載，在STEP模塊中對應(yīng)了豎向加載和水平加載兩個加載步，具體加載方式和邊界條件如圖4所示.

圖4　加載方式及邊界條件

3　有限元模擬結(jié)果及分析

3.1破壞特征

圖5為試件的應(yīng)力云圖.試件CFPW-1，帶雙層單排鋼板耗能鍵的鋼管混凝土排柱組合結(jié)構(gòu).方鋼管混凝土柱根部底部鼓起，鋼板隨位移荷載的增大開始屈曲變形，鋼板與鋼管側(cè)壁接觸的地方出現(xiàn)撕裂，鋼板的對角線破壞明顯，鋼管柱的底部應(yīng)力集中，變形較大.試件CFPW-2，帶雙層雙排鋼板耗能鍵的鋼管混凝土排柱組合結(jié)構(gòu).與試件CFPW-1的破壞形式類似，但鋼板撕裂破壞程度低于CFPW-1，鋼管柱底部應(yīng)力集中，變形較大.試件CFPW-3，帶雙層單排鋼板耗能鍵的鋼管混凝土排柱組合剪力墻.方鋼管混凝土柱間的外包混凝土條帶斜裂縫，隨位移荷載增大其裂縫不斷開展，鋼管底部出現(xiàn)鼓起，兩側(cè)偏外凸屈曲，外包的混凝土達(dá)到其極限承載水平，變形較大，鋼筋屈曲變形，鋼管柱的角部開裂.試件CFPW-4，帶雙層雙排鋼板耗能鍵的鋼管混凝土排柱組合剪力墻.破壞過程與CFPW-3類似，由于該組合結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼板數(shù)量多于CFPW-3，其最終鋼板耗能鍵的變形要小于CFPW-3中的鋼板.

圖5　試件的應(yīng)力云圖

試件CFPW-1、CFPW-2中的鋼板比CFPW-3、CFPW-4的變形大，且呈現(xiàn)對角撕裂的破壞趨勢，對于無外包混凝土全面約束的鋼板耗能鍵來說，其屈曲荷載時，易出現(xiàn)屈曲變化，因此會在對角線方向形成較大的傾斜拉力帶，憑借這些拉力帶承擔(dān)側(cè)向荷載.塑性鉸出現(xiàn)在剪力墻的底部，成為整個模型當(dāng)中應(yīng)力和變形集中的區(qū)域.

3.2滯回曲線與耗能能力

當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在受到循環(huán)往復(fù)荷載作用時，其荷載-位移關(guān)系曲線即為該結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的滯回曲線，一般將其作為分析非線性地震反應(yīng)的依據(jù).結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耗能能力是指處于地震能量場內(nèi)的結(jié)構(gòu)，能量通過地震輸入給結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)對地震能量有一個吸收和耗散的能力.根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)的規(guī)定，試件的耗能能力可以用兩種方式來衡量：

1) 滯回環(huán)包圍的面積，是能量耗散的絕對指標(biāo)，代表了消耗能量的多少.

2) 耗能性能一般用等效粘滯阻尼系數(shù)he和能量耗散系數(shù)E作為指標(biāo)，是能量耗散的相對指標(biāo)，衡量了構(gòu)件的耗能效率.一般滯回環(huán)包圍面積越大越飽滿，則該結(jié)構(gòu)所耗散的能量越多，耗能性能越好.

4個試件荷載-位移滯回關(guān)系曲線的數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示，耗能能力指標(biāo)的具體數(shù)據(jù)如表2所示.由滯回環(huán)形狀可以看出，試件均無捏縮現(xiàn)象，滯回環(huán)的形狀相對飽滿，說明耗能能力強(qiáng)，在吸收抗震能量方面具有優(yōu)勢.由表2中的耗能能力Ep可知，CFPW-2比CFPW-1的耗能能力提高了12.36%，CFPW-4比CFPW-3的耗能能力提高了1.18%，表明鋼板耗能鍵的數(shù)量對組合剪力墻的耗能能力的影響比較明顯.

圖6　不同試件滯回曲線

表2　試件耗能指標(biāo)

試件CFPW-3的耗能能力較CPFW-1提高了88.8%，試件CFPW-4的耗能能力較CPFW-2提高了70.0%，表明鋼管之間填充的混凝土條帶提高了組合結(jié)構(gòu)的抗震耗能能力.鋼板耗能鍵由于受到外包混凝土的約束，延緩了進(jìn)入屈曲階段的速度，耗能能力得到了充分的發(fā)揮，且鋼板外包的混凝土與鋼管混凝土排柱間形成相互制約的狀態(tài)，在一定程度上提高了組合剪力墻的變形能力.

3.3骨架曲線及承載力

骨架曲線是模擬計算結(jié)果的荷載-位移關(guān)系曲線，是滯回曲線上按順次相連同向加載時各級所達(dá)到的峰值荷載點(diǎn)而形成的包絡(luò)線，代表了每級循環(huán)加載荷載達(dá)到最大值的軌跡.圖7為4個試件荷載-位移骨架曲線對比.

在組合剪力墻構(gòu)件的荷載-位移骨架曲線中，很難目測到明顯的屈服點(diǎn).本文選用峰值荷載的75%為屈服荷載，對應(yīng)的位移為屈服位移，極限荷載取峰值荷載下降到85%，對應(yīng)的位移為極限位移，具體的數(shù)值模擬屈服荷載值和極限荷載值如表3所示.

由圖7和表3可知，4條骨架曲線的變化趨勢基本一致，CFPW-2的屈服荷載較CFPW-1提高了23.78%，CFPW-2的極限荷載較CFPW-1提高了22.51%，CFPW-4的屈服荷載較CFPW-3提高了34.50%，CFPW-4的極限荷載較CFPW-3提高了23.78%，表明在同一位置增加鋼板的數(shù)量可以提高組合剪力墻結(jié)構(gòu)的承載力，鋼板在結(jié)構(gòu)的承載力上起到一定程度的作用.

圖7　骨架曲線

試件編號Py/kNΔy/mmPu/kNΔu/mmCFPW-1250.6858.755303.28132.254CFPW-2310.2898.408371.53630.019CFPW-3371.9278.601447.53433.020CFPW-4498.5718.571587.13831.121

注：Py為屈服荷載；Δy為屈服位移；Pu為極限荷載；Δu為極限位移.

CFPW-3的屈服荷載較CFPW-1提高了48.36%，CFPW-3的極限荷載較CFPW-1提高了47.56%，CFPW-4的屈服荷載較CFPW-2提高了60.67%，CFPW-4的極限荷載較CFPW-2提高了58.03%，表明在CFPW-1和CFPW-2的基礎(chǔ)上分別填充混凝土條帶之后，組合剪力墻結(jié)構(gòu)的承載力大大提高，比提高鋼板的數(shù)量更明顯.鋼板在受到外包混凝土的約束后，有效地抑制其屈曲的發(fā)展速度，且混凝土與鋼管之間相輔相成，從而提高了整體結(jié)構(gòu)的抗震性能.

3.4延性

延性可衡量結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的某個截面從屈服至達(dá)到最大承載力后的抵抗變形的能力.在抗震規(guī)范設(shè)計要求中，一般用延性系數(shù)來表示，位移延性系數(shù)可表示結(jié)構(gòu)的宏觀延性，本文采用位移延性系數(shù)μ來研究組合剪力墻結(jié)構(gòu)的延性，其表達(dá)式為

(1)

位移延性比越大，材料吸收的能量越多，延性越好.表4為各試件具體的屈服位移和極限位移.

表4　屈服位移、極限位移及延性系數(shù)

由表4可知，試件CFPW-1的承載力雖不及CFPW-2，但其屈服位移和極限位移較CFPW-2分別高出4.1%、9.4%，延性系數(shù)也高出5.2%，試件CFPW-3的承載力較CFPW-4差，但其屈服位移和極限位移分別高出0.3%、6.1%，延性系數(shù)高出5.7%，表明組合結(jié)構(gòu)的延性變化與鋼板耗能鍵的數(shù)量成反比，鋼板越多，延性性能下降，因此，方鋼管混凝土排柱與鋼板數(shù)量的合理設(shè)計影響著組合剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的發(fā)揮.

試件CFPW-3比CFPW-1的極限位移提高了2.3%，延性系數(shù)提高了4.2%，試件CFPW-4比CFPW-2的極限位移提高了3.6%，延性系數(shù)提高了1.7%，表明鋼板耗能鍵受到外包混凝土的約束后，承載力提高，且對提高組合結(jié)構(gòu)的變形能力效果也較明顯，充分證明外包混凝土條帶與鋼板耗能鍵、外包混凝土與方鋼管混凝土排柱相互制約、相輔相成的結(jié)果.

從兩組試件延性比提高的比例來比較，CFPW-3較CFPW-1提高的比例高，表明鋼板的數(shù)量和方鋼管混凝土排柱的合理參數(shù)匹配在影響組合剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能方面都不可忽視.

3.5強(qiáng)度退化和剛度退化

強(qiáng)度退化代表了循環(huán)荷載作用下的承載能力下降的趨勢；剛度退化代表了循環(huán)荷載作用下抵抗變形能力下降的趨勢.本文采用承載力降低系數(shù)λj來表示強(qiáng)度退化，其表達(dá)式為

(2)

(3)

圖8　不同試件強(qiáng)度退化曲線

圖9　不同試件剛度退化曲線

由圖8可知，數(shù)值模擬中加載初期的彈性階段試件強(qiáng)度均有一定的強(qiáng)化，繼而隨著循環(huán)加載值的增大，各試件進(jìn)入彈塑性階段后其強(qiáng)度逐漸出現(xiàn)了退化趨勢.在加載后期，有些試件出現(xiàn)強(qiáng)度增強(qiáng)假象，那是由于個別試件加載后期的荷載值超過了該試件的計算破壞值Pu，在繼續(xù)加載的過程中，該試件的承載力已經(jīng)降低到一定程度，在材料性能的影響下，同級加載時最后一次循環(huán)所得峰值荷載可能會出現(xiàn)比該級第1次循環(huán)所得峰值荷載有微小的增大現(xiàn)象，該現(xiàn)象為正常現(xiàn)象.

由圖9可知，數(shù)值模擬結(jié)果中各試件剛度退化曲線趨勢基本一致，組合結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，其剛度退化現(xiàn)象比較明顯；數(shù)值模擬中隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加，位移的增加越來越大，而相應(yīng)荷載增加較慢，加載至最大荷載后承載力逐漸降低，各試件剛度退化趨勢較為明顯.

CFPW-3比CFPW-1的初始剛度、屈服剛度分別提高了44.3%、48.7%，CFPW-4比CFPW-2的初始剛度、屈服剛度分別提高了36.2%、31.6%，提高的比例下降，表明組合剪力墻結(jié)構(gòu)在外包混凝土約束鋼板的情況下剛度大大提高.由于試件CFPW-2比CFPW-1多一排鋼板耗能鍵，CFPW-2的剛度比CFPW-1明顯提高，試件CFPW-4與CFPW-3在鋼管混凝土柱之間都填充了外包混凝土，因此，CFPW-4與CFPW-2同CFPW-3與CFPW-1剛度提高幅度值較小.

4　結(jié)　論

本文采用ABAQUS建立了合理的有限元模型，在低周往復(fù)荷載作用下，從破壞特征、滯回曲線及耗能能力、骨架曲線及承載力、延性、剛度退化和強(qiáng)度退化等方面進(jìn)行了抗震性能研究，為帶鋼板耗能鍵的鋼管混凝土排柱組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了參考，并得出以下結(jié)論.

1) 帶鋼板耗能鍵的鋼管混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)的滯回耗能能力強(qiáng)，且鋼板耗能鍵的數(shù)量及鋼管之間填充的混凝土可提高組合結(jié)構(gòu)的抗震耗能能力.鋼板受到外包混凝土的約束，延緩進(jìn)入屈曲階段的速度，其耗能能力得到充分發(fā)揮，且鋼板外包的混凝土與鋼管混凝土排柱間形成相互制約的狀態(tài)，在一定程度上提高了組合剪力墻的耗能能力.

2) 同一位置增加鋼板的數(shù)量可以提高組合剪力墻結(jié)構(gòu)的承載力，外包的混凝土條帶對提高結(jié)構(gòu)的承載力作用明顯，比提高鋼板的數(shù)量更明顯.

3) 組合結(jié)構(gòu)的延性變化與鋼板耗能鍵的數(shù)量成反比，鋼板越多，延性性能下降，鋼板耗能鍵受到外包混凝土約束后，不僅對提高承載力有明顯作用，且對提高組合結(jié)構(gòu)的變形能力效果也很明顯，充分證明外包混凝土條帶與鋼板耗能鍵、外包混凝土與方鋼管混凝土排柱相互制約、相輔相成的結(jié)果.

4) 加載初期的彈性階段，試件強(qiáng)度有一定的強(qiáng)化，隨著循環(huán)加載值增大，各試件進(jìn)入彈塑性階段后其強(qiáng)度逐漸出現(xiàn)退化趨勢.試件進(jìn)入彈塑性階段，隨著循環(huán)加載次數(shù)增加，位移增長越來越大，而相應(yīng)荷載增加較慢，加載至最大荷載后承載力逐漸降低，各試件剛度退化趨勢較為明顯.

帶鋼板耗能鍵的鋼管混凝土剪力墻具有承載力高、后期剛度穩(wěn)定、延性比較大的特點(diǎn)，表明抗震性能良好；鋼板耗能鍵和外包混凝土設(shè)計參數(shù)應(yīng)合理匹配，以充分發(fā)揮出方鋼管混凝土排柱與鋼板耗能鍵、外包混凝土協(xié)同工作優(yōu)勢，可用于高層建筑結(jié)構(gòu).

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(責(zé)任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Seismic analysis for concrete filled steel tube column row shear wall with steel plate energy dissipation bond

WANG Hai-jun,Lü Cong-cong,WEI Hua

(School of Architecture and Civil Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

In order to analyze the seismic behavior of concrete filled steel tube column row shear wall with steel plate energy dissipation bond,the failure characteristics,hysteretic characteristics,energy dissipation capacity,bearing capacity,ductility,strength degradation and stiffness degradation of 4 specimens with different design parameters were studied under low cyclic loading and through adopting ABAQUS finite element analysis software.In addition,the stress nephogram,skeleton curve and hysteresis curve were obtained,and the bearing capacity and displacement ductility ratio were calculated.The results show that for the composite shear wall,the bearing capacity is relatively high,the stiffness,energy dissipation capacity and ductility are relatively large,and the seismic performance is good.With increasing the number of steel plates,both bearing capacity and energy dissipation capacity of the structure are improved,but the ductility decreases.Moreover,the surrounding concrete can greatly improve the bearing capacity and energy dissipation capacity of the structure.

steel plate energy dissipation bond; concrete filled steel tube column row; bearing capacity; skeleton curve; hysteresis curve; yield load; ultimate displacement; energy dissipation capacity

2015-09-25.

沈陽市科技計劃項(xiàng)目(F16-205-1-09).

王海軍(1972-)，男，河北河間人，教授，主要從事結(jié)構(gòu)工程等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.02.20

TU 398.2

A

1000-1646(2016)02-0228-07

*本文已于2016-03-02 16∶45在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1645.032.html