建筑鋼混剪力墻抗震特性數(shù)值模擬研究

李沙沙，蔣玉飛，康 英

(四川大學(xué)錦江學(xué)院，四川 眉山 620860)

1 引言

近些年，隨著社會(huì)需求的提高，建筑行業(yè)發(fā)展迅猛，建筑結(jié)構(gòu)越來越大、越來越復(fù)雜，建筑的高度也在不斷刷新[1]。建筑高度增加帶來了建筑安全性問題，很多國(guó)家地處地震帶或地震帶的交匯處，這些地帶地震活動(dòng)頻繁，地震災(zāi)害嚴(yán)重人們的生活環(huán)境[2-4]。面對(duì)災(zāi)害的隨機(jī)性和復(fù)雜性，建筑很可能遭受到嚴(yán)重破壞，這種情況下，對(duì)建筑的抗震性能提出了更高的要求[5]。

國(guó)內(nèi)外建筑專業(yè)相關(guān)的學(xué)者與專家經(jīng)過多年的研究與實(shí)踐，研究出了一種鋼混剪力墻作為建筑的構(gòu)件，被應(yīng)用在廣泛的建筑中。面對(duì)地震災(zāi)害的不斷變化，針對(duì)鋼混剪力墻結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展出一套完整的抗震特性研究方法，應(yīng)用比較廣泛、比較成熟的方法就是數(shù)值模型和模擬方法[6]?，F(xiàn)階段，數(shù)值模擬方法已經(jīng)成熟，針對(duì)不同的情況也有了很多專用的數(shù)值模擬方法，在建筑方面，有基于OpenSEES的數(shù)值模擬方法和基于Revit平臺(tái)的數(shù)值模擬方法，在使用數(shù)值模擬方法分析抗震性能過程中，很難在變化的試驗(yàn)條件下保持穩(wěn)定，對(duì)于能量消耗的控制和參數(shù)影響均衡水平難以掌握[7-9]。因此，提出建筑鋼混剪力墻抗震特性數(shù)值模擬研究，在原有資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)新的數(shù)值模擬方法，解決上述中存在的問題。

2 建筑鋼混剪力墻抗震性能數(shù)值模擬方法設(shè)計(jì)

2.1 建立有限元模型

對(duì)于建筑鋼混剪力墻的模擬，采用有限元法將剪力墻劃為離散單元之后，使用插值函數(shù)描述離散單元，在確定某個(gè)插值函數(shù)后，通過控制離散單元數(shù)量來控制有限元法求解問題的精確程度，離散單元越多精確程度越高。在實(shí)際數(shù)值模擬過程中，對(duì)于鋼混剪力墻抗震性能分析精度要求不高，需要在權(quán)衡問題求解的精度與離散單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)量之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，得到最佳結(jié)果。實(shí)際模擬過程如下。

對(duì)于建筑鋼混剪力墻抗震性能的數(shù)值模擬，使用Concrete01來模擬剪力墻的混凝土，模擬剪力墻的裂縫開合的力學(xué)特性[10]。Concrete01參數(shù)如圖1所示。

圖1 Concrete01參數(shù)

在計(jì)算混凝土的本構(gòu)關(guān)系時(shí)，選用修正的Kent-Park模型計(jì)算核心區(qū)混凝土[11]。修正的Kent-Park模型本構(gòu)方程及相關(guān)參數(shù)如下

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)表示的是受壓曲線段方程，其中α表示受壓強(qiáng)度，e表示箍筋約束對(duì)混凝土受壓強(qiáng)度的提高系數(shù)，b1表示混凝土的圓柱體抗壓強(qiáng)度，σ表示混凝土的極限應(yīng)變，b2表示箍筋的屈服強(qiáng)度，c表示受壓下降段的斜率[12]。核心區(qū)混凝土的本構(gòu)結(jié)構(gòu)由上式計(jì)算獲得。對(duì)于鋼混剪力墻中的鋼筋采用Steel02模擬，其本構(gòu)關(guān)系特征參數(shù)取值如表1所示。

表1 鋼筋參數(shù)取值

表中顯示的是直徑為6mm、8mm、10mm、12mm的鋼筋參數(shù)。在已知混凝土和鋼筋參數(shù)的基礎(chǔ)上，定義剪力墻截面，采用patch rect命令定義混凝土范圍，使用layer straight命令定義鋼筋。建模從剪力墻底部開始，逐漸向上完成建筑鋼混剪力墻的整體建模。

在初始分析步里，設(shè)置模型各部件之間相互作用，在有限元模型中主要分為兩種，一種鋼管束和混凝土之間的接觸問題，另一種是鋼管束之間的連接問題。其中對(duì)于鋼管束問題，在建立模型過程中，不需要考慮焊縫問題對(duì)構(gòu)件的影響，各個(gè)鋼管束之間通過merge命令形成一個(gè)鋼管束整體。為了保證鋼管束與混凝土在變形均比較正常的情況下，不因法向壓力變化穿透現(xiàn)象。計(jì)算混凝土與鋼管束的滑移，把它們之間的接觸面設(shè)置為主從面，鋼板接觸面設(shè)置為隸從面，在設(shè)定初始邊界時(shí)將鋼混剪力墻模型底部視為完全嵌固端。

2.2 抗震性能指標(biāo)確定及計(jì)算

建筑鋼混剪力墻的抗震性能的分析主要是對(duì)剪力墻的抵抗荷載作用的能力，抵抗變形的能力和結(jié)構(gòu)的耗能能力進(jìn)行研究分析。在地震作用下，剪力墻處于一個(gè)不斷吸收和消耗能量的過程，受到外界作用力的作用，在抵抗荷載能力達(dá)到極限時(shí)，可能會(huì)發(fā)生變形的情況。針對(duì)這一特性，確定抗震性能指標(biāo)為承載力、剛度和延性以及耗能能力。其中承載力分為屈服承載力和極限承載力，這兩項(xiàng)參數(shù)從圖2中得以確定。

圖2 承載力的確定

鋼混剪力墻的割線剛度計(jì)算公式如下

(5)

式中Ri表示剪力墻在第i級(jí)加載下的割線剛度，Ri表示剪力墻在第i級(jí)正向水平力加載下最大荷載值，其對(duì)應(yīng)的位移值就是Δi；-Ri表示剪力墻在第i級(jí)反向水平力加載下最大和載值，其對(duì)應(yīng)的位移值為-Δi。衡量結(jié)構(gòu)或構(gòu)件延性的大小一般用位移延性系數(shù)表示，公式為

(6)

式中Δω表示極限破壞時(shí)的位移，Y表示屈服位移。能量消耗能力通過滯回曲線所包圍的面積來判斷，根據(jù)剪力墻的實(shí)際耗能情況來確定。

2.3 抗震性能數(shù)值模擬分析

運(yùn)用ABAQUS分析軟件對(duì)建立的剪力墻有限元模型進(jìn)行水平向反復(fù)加載的模擬，得到鋼混剪力墻的滯回曲線，從中提取出骨架曲線，進(jìn)而計(jì)算出屈服承載力、峰值承載力和極限承載力，計(jì)算結(jié)果值越高說明鋼混剪力墻的承載力越好。

ABAQUS軟件中包括兩個(gè)主求解器模塊，分別是Standard和Explicit，并且在實(shí)際工作中該軟件還提供了一些專用接口，如Design、Auqs和MOLDFLOW接口等，便于解決各種問題。該軟件的集成工作環(huán)境是CAE，具有建模和監(jiān)控運(yùn)算等多項(xiàng)功能，對(duì)實(shí)時(shí)掌握數(shù)值模擬分析過程有很大幫助。

根據(jù)鋼混剪力墻在水平加載過程，得到剪力墻的剛度退化曲線。正常情況下，隨著水平荷載的增加，鋼混剪力墻的切線剛度開始發(fā)生退化現(xiàn)象，在鋼混剪力墻達(dá)到峰值承載力時(shí)，繼續(xù)加載，鋼混剪力墻剛度退化較為明顯，在加載的后期鋼混剪力墻剛度退化的趨勢(shì)通過曲線的斜率來分析，曲線斜率越大，說明鋼混剪力墻剛度變化比較穩(wěn)定，反之剛度變化比較大。

抗震特性中的耗能特性主要利用水平向反復(fù)加載過程中的滯回耗能及等效占滯阻尼系數(shù)來衡量。正常情況下，加載初期鋼混剪力墻處于彈性階段，耗能比較小，隨著水平荷載的增加，鋼混剪力墻將會(huì)進(jìn)入到彈塑性工作階段，此時(shí)形成的滯回曲線面積逐漸增大，耗能能量增加，根據(jù)滯回曲線面積的變化來衡量耗能能力。通過以上三項(xiàng)指標(biāo)即可確定建筑鋼混剪力墻的抗震性能，至此，建筑鋼混剪力墻抗震性能數(shù)值模擬分析完成。

3 建筑鋼混剪力墻抗震特性數(shù)值模擬研究

3.1 實(shí)驗(yàn)試件幾何參數(shù)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中使用兩片鋼混剪力墻試件，試件結(jié)構(gòu)形式、尺寸和配筋如下圖所示。

圖4 截面配筋布置圖

墻板基礎(chǔ)部分以上高度為2.5m，寬為1.5m，厚度為200mm，核心現(xiàn)澆區(qū)混凝土厚度為100mm。這兩個(gè)試件在構(gòu)造方式和尺寸參數(shù)等方面完全相同，僅在插筋面積上有所不同。使用的混凝土材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，鋼筋材料的力學(xué)性能如表1所示。

表2 鋼筋材料力學(xué)性能

以上縱筋和基礎(chǔ)插筋均采用彈性段和塑性段比較明顯的HRB400級(jí)鋼筋。

3.2 加載方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，施加豎向荷載，墻體按照實(shí)際軸壓比0.12進(jìn)行施加，實(shí)驗(yàn)軸壓比實(shí)際結(jié)構(gòu)小。實(shí)驗(yàn)中采用位移控制的方式進(jìn)行水平加載，如圖5所示。

圖5 加載制度

在實(shí)驗(yàn)前，控制作動(dòng)器水平位移進(jìn)行加載，位移距離分別是2、3、4、5、6、7mm，每個(gè)位移值循環(huán)一次；循環(huán)完成后，按照試件總高的0.25%、0.50%、0.75%等進(jìn)行加載，直到試件承載力下降到最大承載力的85%左右時(shí)結(jié)束。此時(shí)分別使用不同的數(shù)值模擬方法來分析剪力墻的抗震特性。在上述過程中，定義作動(dòng)頭伸長(zhǎng)為正向加載，縮短為負(fù)向加載。

3.3 參數(shù)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

數(shù)值模擬中需要對(duì)抗震性能進(jìn)行分析，涉及的參數(shù)比較多，不同參數(shù)在數(shù)值模擬中有不同的影響比重，如果在對(duì)參數(shù)模擬過程中，出現(xiàn)占比失衡的情況，將影響后續(xù)抗震性能分析結(jié)果。因此，參數(shù)影響實(shí)驗(yàn)主要計(jì)算數(shù)值模擬過程中參數(shù)的權(quán)重，根據(jù)權(quán)重結(jié)果分析數(shù)值模擬方法中參數(shù)的均衡效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示。

圖6 不同數(shù)值模擬方法參數(shù)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中以承載力、剛度和延性參數(shù)作為指標(biāo)。對(duì)比觀察圖中結(jié)果，圖a中顯示在三個(gè)參數(shù)的權(quán)重分布中，承載力的權(quán)重遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于另外兩個(gè)參數(shù)；圖b中參數(shù)剛性權(quán)重和剛性高于承載力參數(shù)，其中剛性參數(shù)權(quán)重最高；圖c中結(jié)果顯示，三個(gè)參數(shù)權(quán)重分布比較均勻，之間差值不超過0.25，在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。綜上所述，設(shè)計(jì)的建筑鋼混剪力墻抗震特性數(shù)值模擬方法參數(shù)權(quán)重均衡，在抗震性能分析條件的變化下，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果影響極小。

3.4 能量耗散控制效果實(shí)驗(yàn)及分析

分別在0.2g、0.4g、0.9g和1.2g的地震波作用下，使用三種不同的數(shù)值模擬方法對(duì)鋼混剪力墻抗震性能進(jìn)行分析，使用第三方插件輸出能量耗散控制情況，具體結(jié)果如下表所示。

表3 不同數(shù)值模擬方法能量耗散控制效果實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表中顯示的數(shù)據(jù)是在數(shù)值模擬過程中，能量耗散控制的波動(dòng)值，波動(dòng)值越高說明能量耗散控制范圍不精準(zhǔn)、控制不穩(wěn)定，反之則說明控制精準(zhǔn)穩(wěn)定。從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著地震波的增加，各個(gè)數(shù)值模擬方法的波動(dòng)值在不斷增加，并且增加幅度越來越大。但是對(duì)比觀察各組數(shù)據(jù)可知，提出的數(shù)值模擬方法波動(dòng)值極小，始終在1.0以下。結(jié)合上述參數(shù)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，提出的建筑鋼混剪力墻抗震特性數(shù)值模擬方法能量控制穩(wěn)定、參數(shù)影響均衡，在多變的條件下能夠始終保持自身的模擬水平，該方法優(yōu)于傳統(tǒng)的數(shù)值模擬方法。

4 結(jié)束語

本文以建筑鋼混剪力墻作為主要研究對(duì)象，結(jié)合地震災(zāi)害調(diào)查資料，提出建筑鋼混剪力墻抗震特性數(shù)值模擬研究。在原有資料的支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)剪力墻抗震性能的數(shù)值模擬分析。通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1)提出方法能夠有效承載力、剛度和延性三個(gè)參數(shù)權(quán)重分布比較均勻，之間差值不超過0.25。

2)當(dāng)?shù)卣鸩?.2g時(shí)，提出的數(shù)值模擬方法的能量耗散控制波動(dòng)值為0.934，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它方法，說明本文方法的建筑鋼混剪力墻的穩(wěn)定性較好。

但是本文研究有對(duì)鋼混結(jié)構(gòu)剪力墻的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，在后續(xù)研究中，將從這一方面展開深入研究與探討。