新型雙鋼板混凝土組合剪力墻抗震性能有限元分析研究

甄志祿，張玉蘭，劉永奇，高秋利，杜顏勝，張宇桐

（1.河北建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，河北 保定 071000；2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072）

1 引言

雙鋼板混凝土組合剪力墻是近年來興起的一種裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層建筑中常用的構(gòu)件，不僅可以承載水平荷載，還可以作為主要承受豎向荷載的構(gòu)件；其橫截面主要由兩側(cè)面層鋼板和夾層的內(nèi)填混凝土組成[1]；面層鋼板可通過對拉螺栓、肋板等相互連接，也可通過各類抗剪連接件與混凝土相連，進(jìn)而增強(qiáng)組合剪力墻截面的整體穩(wěn)定性等性能。

根據(jù)以往的研究，雙鋼板混凝土組合剪力墻具有較高的承載力和良好的延性，但在高層住宅建筑體系中的應(yīng)用還不夠廣泛[2]。將其用于住宅建筑中可以做到不露梁、不露柱，增加建筑的使用面積[3]。因此，本文提出了一種新型剪力墻，并建立了其精細(xì)化有限元模型，研究鋼板厚度和是否布置抗剪栓釘對該剪力墻抗震性能的影響。

2 有限元模型

2.1 有限元模型概述

本文建立了5 組有限元足尺模型，編號(hào)為ZHQ1～ZHQ5。墻體高度均為3 000 mm，寬度為1 200 mm，鋼板厚度從3 mm變化到6 mm。剪跨比λ 計(jì)算如式1 所示。所有鋼板均采用Q345B 鋼材。采用底部固定、頂部施加面內(nèi)水平往復(fù)荷載的方式研究鋼板剪力墻的抗展性能。模型相關(guān)參數(shù)見表1，尺寸圖如圖1 所示。

表1 剪力墻試件有限元模型參數(shù) mm

圖1 模型尺寸圖

式中，h0為剪力墻的計(jì)算高度；w 為剪力墻的寬度。

2.2 鋼材與混凝土本構(gòu)關(guān)系

2.2.1 鋼材本構(gòu)

鋼材本構(gòu)模型采用彈塑性模型。試件中的鋼材采用Q345鋼，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線一般分為5 個(gè)階段：彈性段、彈塑性段、塑性段、強(qiáng)化段和二次塑性流幅階段[4]。為了模擬鋼材在循環(huán)荷載過程中的累計(jì)損傷，本文采用了基于Xue-Wierzbicki金屬損傷起始準(zhǔn)則的延性金屬損傷模型[5]。

2.2.2 混凝土的本構(gòu)關(guān)系

對于內(nèi)填混凝土，由于墻截面形成了鋼管腔，其材料性能因周圍鋼材的約束會(huì)得到一定的增強(qiáng)，受約束的混凝土的峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變會(huì)有所增加，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的下降段會(huì)趨于平緩。本文采用韓林海教授[6]提出的鋼管混凝土約來本構(gòu)模型進(jìn)行研究。

2.3 接觸關(guān)系與網(wǎng)格劃分

新型雙鋼板混凝土組合剪力墻中的有限元模型中，鋼板與混凝土之間的法向接觸采用硬接觸，切向接觸采用庫倫摩擦模型。根據(jù)以往的研究經(jīng)驗(yàn)[7]，摩擦系數(shù)取0.4；抗剪栓釘與混凝土之間的接觸采用嵌入式接觸，其余鋼材之間的焊縫均采用綁定接觸。該剪力墻模型全部采用8 節(jié)點(diǎn)減縮積分的三維實(shí)體單元（C3D8R）建模。經(jīng)過網(wǎng)格敏感性分析，為了平衡計(jì)算精度和計(jì)算效率，確定網(wǎng)格尺寸全部為50 mm。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 不同參數(shù)下滯回曲線與骨架曲線對比分析

為方便分析對比采用不同參數(shù)時(shí)試件的抗震性能，將5 個(gè)剪力墻有限元模型的屈服點(diǎn)、峰值點(diǎn)等特征數(shù)據(jù)列于表2 中，其中，數(shù)據(jù)均為滯回正負(fù)方向平均值。其中，屈服點(diǎn)采用最遠(yuǎn)點(diǎn)法[8]計(jì)算得到，峰值荷載對應(yīng)最大荷載，峰值位移為峰值荷載對應(yīng)的位移。

表2 特征點(diǎn)數(shù)據(jù)

3.1.1 鋼板厚度對滯回性能的影響

圖2a 中給出了ZHQ1、ZHQ2、ZHQ3 和ZHQ4 的滯回曲線，4 個(gè)試件的鋼板厚度從3 mm 變化至6 mm。新型雙鋼板混凝土組合剪力墻的滯回曲線呈現(xiàn)為梭形，沒有明顯捏縮現(xiàn)象，表明該構(gòu)件的剛度較大，耗能能力強(qiáng)。此外，隨著面層鋼板厚度的增加，滯回環(huán)的面積越來越大，耗能增加。這是因?yàn)殇摪搴穸鹊脑黾犹岣吡嗽摻M合剪力墻截面的含鋼率，大幅度提高了構(gòu)件的耗能能力。

圖2b 中列出了ZHQ1、ZHQ2、ZHQ3 和ZHQ4 的骨架曲線。隨著鋼板厚度的增加，試件的承載力提高較多，從3 mm 鋼板到6 mm 鋼板，屈服荷載從609.2 kN 提高至954.4 kN，增長了56.7%；峰值荷載從668.5 kN 提高至1 092.1 kN，增長了63.4%。說明截面含鋼量是影響構(gòu)件承載能力的重要影響因素。此外，從圖中可以看出，隨著鋼板厚度增加，構(gòu)件的初始剛度逐漸提升。這是因?yàn)樵谒郊虞d過程中，由于截面含鋼量增加，產(chǎn)生相同的橫向位移需要施加更大的荷載，所以表現(xiàn)為剛度的提高。

圖2 ZHQ1-ZHQ4 試件的荷載-位移曲線對比

3.1.2 抗剪栓釘?shù)牟贾脤匦阅艿挠绊?/p>

在圖3 中給出了試件ZHQ3 和ZHQ5 的荷載-位移曲線對比，其中，ZHQ5 為栓肋混合拉結(jié)的剪力墻，ZHQ3 為僅有肋板拉結(jié)的剪力墻。從滯回曲線和骨架曲線上看，抗剪栓釘?shù)牟贾锰岣吡嗽嚰虞d后期的強(qiáng)度，在一定程度上延緩了試件在破壞階段出現(xiàn)承載力下降的時(shí)間。這表明抗剪栓釘增強(qiáng)了剪力墻面層鋼板和混凝土之間的連接，增強(qiáng)了載荷過程中鋼板和混凝土的協(xié)同受力，進(jìn)而提高了試件延性，增強(qiáng)了耗能能力。從承載力上分析，ZHQ5 的屈服荷載相比ZHQ3提高了10.5%；ZHQ5 的峰值荷載相比ZHQ3 提高了1.7%。因此，抗剪栓釘延長了試件彈性階段，但對構(gòu)件極限承載力影響較小。

圖3 ZHQ3 與ZHQ5 試件的荷載-位移曲線對比

4 結(jié)論

運(yùn)用ABAQUS 軟件建立了5 個(gè)新型雙鋼板混凝土剪力墻的模型。選用了合適的鋼材、混凝土的本構(gòu)關(guān)系，考慮了鋼材的損傷行為，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了低調(diào)往復(fù)荷載下的抗震性能分析，得到的主要結(jié)論如下：

1）雙鋼板混凝土組合剪力墻在加載過程中經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段、以及破壞階段。試件破壞模式是底部鋼板在彈塑性階段和破壞階段發(fā)生大面積屈服和局部屈曲，內(nèi)填混凝土壓潰，承載力隨之下降。

2）剪力墻鋼板厚度的增加使截面的含鋼量大幅度提高，從而使剪力墻的承載能力、初始剛度和耗能能力得到明顯增強(qiáng)。

3）抗剪栓釘?shù)牟贾锰岣吡嗽嚰那奢d，延緩了試件在破壞階段承載力下降過程的出現(xiàn)，提高了延性。表明抗剪栓釘增強(qiáng)了剪力墻面層鋼板和混凝土之間的連接，增強(qiáng)了鋼板和混凝土的協(xié)同受力。但是抗剪栓釘?shù)牟贾脤?gòu)件極限承載力影響較小。