單調(diào)荷載下帶拉條鋼板-型鋼約束混凝土組合剪力墻力學性能分析

馮建龍， 劉華盛

(山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室， 山東青島 266590)

[定稿日期]2017-10-18

剪力墻作為高層及超高層建筑中的基本抗側(cè)力構(gòu)件,具有剛度大、承載力高等優(yōu)點,在高層建筑中得到了廣泛應用。然而傳統(tǒng)的鋼筋混凝土剪力墻變形能力小、延性及抗震性能較差,易發(fā)生脆性破壞[1]。為滿足JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中剪力墻軸壓比限值的要求，鋼筋混凝土剪力墻會做得很厚，而較厚的墻體會導致使用空間減小、結(jié)構(gòu)自重增大等問題。為解決這些問題，各種新型剪力墻結(jié)構(gòu)體系近年來得到廣泛研究，鋼板-混凝土組合剪力墻就是研究熱點之一。1987年Hitachi公司提出兩側(cè)鋼板內(nèi)填混凝土墻[2]。由于鋼板組成方格的形狀，鋼板對混凝土的套箍作用加強，并使鋼板不容易屈曲，這種剪力墻承載能力和變形能力都很高。Wright H D.等提出了兩側(cè)壓型鋼板內(nèi)填混凝土組合鋼板剪力墻[3]。研究表明該試件擁有較好的抗剪能力，試件的寬厚比對抗剪強度影響比較小，但對彈性區(qū)間和極限抗剪強度對應的位移有一定的影響。清華大學聶建國等[4]提出綴板拉結(jié)式雙鋼板-混凝土組合剪力墻，通過綴板拉結(jié)可有效避免墻身鋼板的局部屈曲，同時可加強對內(nèi)填混凝土的約束作用，大幅提高了高強混凝土的變形能力。

1 模擬構(gòu)件概況

本文在雙鋼板內(nèi)填混凝土組合剪力墻基礎上，在墻體邊緣增設方鋼管，中部鋼板之間用工字鋼連接，兩側(cè)鋼板之間采用加勁拉條進行拉結(jié)，形成一種新型的帶拉條鋼板—型鋼約束混凝土組合剪力墻，其截面特征如圖1所示。根據(jù)JGJ 138-2001《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范中關(guān)于剪力墻各參數(shù)的設計標準，建立了以下一組帶拉條鋼板-型鋼約束混凝土組合剪力墻構(gòu)件。其截面具體尺寸是在文獻[5]基礎上，根據(jù)截面特征、參數(shù)設置以及考慮后期試驗情況所確定[5](表1)。

圖1 帶拉條鋼板-型鋼約束混凝土組合剪力墻構(gòu)件

2 帶拉條鋼板—型鋼約束混凝土組合剪力墻有限元模型

2.1 材料本構(gòu)模型

2.1.1 鋼材本構(gòu)模型

鋼材作為比較理想的均質(zhì)材料，其受壓、受拉的力學性質(zhì)基本一致，經(jīng)常采用的鋼材應力-應變模型包括理想的彈塑性模型、雙線性模型、三折線模型以及全曲線模型[6]。本文所有鋼材均采用Q235鋼，屈服強度215 MPa,彈性模量2.06×105MPa，應力-應變關(guān)系曲線選取雙折線模型(圖2)。屈服準則遵守Von Mises屈服準則及相應流動法則。

表1 帶拉條鋼板-型鋼約束混凝土組合剪力墻構(gòu)件參數(shù)

2.1.2 混凝土本構(gòu)模型

采用ABAQUS軟件提供的混凝土塑性損傷模型，該模型將損傷指標[7]引入混凝土模型，對混凝土的彈性剛度矩陣加以折減，塑性流動法則為非關(guān)聯(lián)流動法則?；炷潦軌簯?應變關(guān)系所采用的混凝土受壓應力-應變本構(gòu)模型[8]?；炷潦芾瓚?應變關(guān)系選取參考GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》附錄C中推薦的模型，泊松比0.2，密度2 400 kg/m3，混凝土應力-應變關(guān)系曲線如圖3所示。

圖2 鋼材應力-應變關(guān)系曲線

(a) 混凝土受壓應力-應變關(guān)系曲線

(b) 混凝土受拉應力-應變關(guān)系曲線圖3 混凝土應力-應變關(guān)系曲線

2.2 模型建立

該組合剪力墻有限元模型，混凝土、鋼管、鋼板及工字鋼采用實體單元C3D8R，拉條采用TRUSS單元，單元類型為T3D2。鋼與混凝土采用綁定約束，不考慮鋼與混凝土之間的粘結(jié)滑移。墻體頂部設置一剛性加載梁，與下部墻體采用綁定約束，為避免因局部荷載過大可能導致的單元模型局部變形過大，采用參考點與加載面耦合的方法進行水平加載，墻底部約束為完全固定，無平動和轉(zhuǎn)動位移[9]。荷載方面，首先將豎向軸壓力折算為面荷載均勻施加在加載梁上表面，為了能夠更好地模擬剪力墻構(gòu)件力學曲線峰值點后的下降段，水平荷載采用位移加載的方式，模擬時逐步增大加載面的水平側(cè)向位移。帶拉條鋼板-型鋼約束混凝土組合剪力墻整體有限元模型如圖4所示。

圖4 帶拉條鋼板-型鋼約束混凝土組合剪力墻整體有限元模型

3 有限元分析結(jié)果

對所有構(gòu)件有限元模擬結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，得到各個構(gòu)件加載點的荷載-位移曲線，將各構(gòu)件屈服荷載和屈服位移、峰值荷載和峰值位移、極限荷載和極限位移等數(shù)據(jù)如表2所示。其中極限位移取荷載下降到85 %峰值荷載時所對應的位移值，延性系數(shù)定義為剪力墻極限位移與屈服點位移之比，即μ=Δd/Δy。

3.1 軸壓比對構(gòu)件性能的影響

保持其他因素不變，只改變試件軸壓比，從0.2～0.5變化，得到該組合剪力墻在不同軸壓比下的荷載-位移曲線(圖5)?？梢钥闯觯S壓比的增大對墻體水平承載力有一定提高，但不是很明顯，且增加幅度越來越小，軸壓比越大荷載下降越明顯，極限位移越減小。從而說明其延性越差，越容易發(fā)生脆性破壞，因此不宜采取增大軸壓比的方式來提高該組合墻承載能力。

表2 試件墻頂水平荷載及水平位移特征值

圖5 不同軸壓比下試件荷載-位移曲線

3.2 剪跨比對構(gòu)件性能的影響

保持其他因素不變，只改變試件剪跨比，得到試件在剪跨比為1.5和2.0情況下的荷載-位移曲線(圖6)?？梢钥闯?，剪跨比是影響該組合剪力墻力學性能的重要參數(shù)，試件SCW2與試件SCW1相比，峰值荷載下降12.3 %，但其極限位移增大，說明其變形能力提高。并且在彈性階段，剪跨比大的剛度明顯降低。剪跨比不僅影響了構(gòu)件荷載和位移的大小，而且荷載-位移曲線也發(fā)生一定變化。

圖6 不同剪跨比下試件荷載-位移曲線

3.3 拉條對構(gòu)件性能的影響

為了對比分析拉條對該剪力墻受力性能的影響，設計了一片不帶拉條的剪力墻試件SCW6，得到帶拉條與不帶拉條試件荷載-位移對比曲線(圖7)?？梢钥闯隼瓧l對構(gòu)件的力學性能影響較大，試件SCW1比SCW6峰值荷載提高了10 %左右，彈性階段構(gòu)件的剛度明顯增加，但構(gòu)件變形能力和延性沒有太大變化。從變形圖可看出，試件SCW6構(gòu)件邊緣的鼓曲程度和范圍明顯比SCW1要小。這是由于當墻底部混凝土壓碎后，兩側(cè)鋼板受到混凝土向外的張力，發(fā)生鼓曲變形，拉條受拉，對兩側(cè)鋼板起到拉結(jié)作用，一定程度約束了鋼板的側(cè)向鼓曲，承載力也有一定提高。

圖7 帶拉條與不帶拉條試件荷載-位移曲線

4 結(jié)論

本文提出一種新型帶拉條的鋼板-型鋼約束混凝土組合剪力墻，采用ABAQUS有限元分析軟件建立了該組合剪力墻非線性有限元模型，研究了該形式剪力墻的受力性能，分析了不同參數(shù)對剪力墻力學性能的影響，得到以下結(jié)論：

(1)帶拉條型鋼-鋼板混凝土組合剪力墻破壞過程基本分為三個階段，即彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。

(2)隨軸壓比的增大，墻體水平承載力有一定提高，但不是很明顯，軸壓比越大荷載下降越明顯，延性越差，越容易發(fā)生脆性破壞，因此不宜采取增大軸壓比的方式來提高該組合墻承載能力。

(3)剪跨比是影響該組合剪力墻力學性能的重要參數(shù)，剪跨比增大，墻體承載能力降低，變形能力提高。

(4)拉條的存在對該組合剪力墻力學性能有很大影響，拉條在墻體受力過程中對兩側(cè)鋼板起到拉結(jié)作用，一定程度上約束了鋼板的側(cè)向鼓曲，承載力也有一定提高。

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