內(nèi)填鋼纖維混凝土-鋼管束剪力墻壓彎承載能力分析

張常濤，傅明亮，曾武華

（1.福建一建集團(tuán)有限公司，福建三明 365001；2.福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建福州 350002；3.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建三明 365004）

隨著剪力墻體系應(yīng)用于高層住宅鋼結(jié)構(gòu)中，尋找一種高性能、裝配化程度高的剪力墻結(jié)構(gòu)體系很有必要。2016年，付波[1]等提出的鋼管束混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)受到廣泛關(guān)注。張曉萌[2]對(duì)這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，表明其具有良好的承載能力和延性能力。鋼管束剪力墻可根據(jù)實(shí)際需要布置成一字型、T型和L型等構(gòu)造形式，充分發(fā)揮其裝配靈活、施工便捷的特點(diǎn)，滿足住宅建筑的發(fā)展需求。然而，在建筑向高強(qiáng)化演變的趨勢(shì)下，鋼管束剪力墻需要更優(yōu)越的承載能力及延性。提高鋼材強(qiáng)度及鋼板厚度均可以滿足這方面要求，但因其經(jīng)濟(jì)效應(yīng)低而缺少使用。同時(shí)，提高混凝土強(qiáng)度也能增強(qiáng)構(gòu)件承載能力，但其往往伴隨著對(duì)構(gòu)件延性的削弱。研究表明[3-4]，鋼纖維的摻入能有效改善混凝土的力學(xué)性能，鋼纖維體積率較高時(shí)，可顯著提高混凝土的抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及其剪切韌性。因此，本文提出一種內(nèi)填鋼纖維混凝土-鋼管束剪力墻結(jié)構(gòu)，有望在增強(qiáng)構(gòu)件承載能力的同時(shí)，能夠有效提高構(gòu)件延性能力。

由于剪力墻尺寸大，整體完全摻入鋼纖維價(jià)格昂貴，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)低，將鋼纖維混凝土應(yīng)用于剪力墻構(gòu)件時(shí)應(yīng)按照“部分增強(qiáng)”的理論，即僅將鋼纖維混凝土澆筑于剪力墻中應(yīng)力復(fù)雜的部位。楚留聲[5]進(jìn)行了高強(qiáng)混凝土剪力墻在低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)，研究結(jié)果表明在邊框加強(qiáng)與整體加強(qiáng)兩種模式下，剪力墻承載力的差異并不顯著，但相較于整體加強(qiáng)模式，邊框加強(qiáng)模式不僅節(jié)省鋼材，其制造成本也大幅降低。趙軍[6-7]通過(guò)試驗(yàn)研究表明僅在剪力墻約束邊緣構(gòu)件內(nèi)摻入鋼纖維對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力及其延性均有一定提升效果?；凇安糠衷鰪?qiáng)”的思想，本文僅在鋼管束邊緣豎向部分摻入鋼纖維，研究鋼纖維的體積率、混凝土強(qiáng)度、軸壓比等參數(shù)對(duì)鋼管束剪力墻壓彎性能的影響。

1 模型驗(yàn)證

1.1 鋼纖維混凝土有限元模型的建立

鋼纖維混凝土有限元模型的建立方法主要有兩種：一是用鋼纖維混凝土本構(gòu)代替普通混凝土本構(gòu)，這一方法雖然可以大大降低建模的繁瑣性，但其難以準(zhǔn)確反映隨機(jī)鋼纖維散落在混凝土中的增強(qiáng)效果；二是分離建立鋼纖維與混凝土，并考慮鋼纖維的隨機(jī)分布，這一方法可以較為精確地反映出隨機(jī)分布鋼纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用，但鋼纖維數(shù)量眾多、體積小，在Abaqus中直接建立實(shí)體模型過(guò)于繁瑣。因此，本文借助Python腳本生成隨機(jī)分布的鋼纖維，生成的隨機(jī)分布鋼纖維如圖1所示。鋼纖維以“Embeded”的約束形式內(nèi)置于混凝土中。鋼纖維截面形式為圓形，長(zhǎng)徑比為 60，彈性模量為210 GPa，抗拉強(qiáng)度為1 200 MPa，本構(gòu)模型采用雙折線模型。

圖1 鋼纖維隨機(jī)分布于立方體的示意圖

1.2 本構(gòu)模型

混凝土采用塑性損傷模型，塑性損傷模型提供相異的拉壓性能，適用于低圍壓、單調(diào)、循環(huán)等荷載工況，與文中模擬的剪力墻構(gòu)件有較好的適配性，并引入規(guī)范[8]中的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系描述混凝土受拉（壓）行為。鋼材則采用考慮了柔性損傷的雙折線模型。

1.3 網(wǎng)格類型與接觸模型

鋼管束、混凝土與頂梁基礎(chǔ)梁均選用三維實(shí)體單元C3D8R，減縮積分單元可以避免剪切閉絕問(wèn)題，計(jì)算精度高。鋼纖維選用桁架單元T3D2。對(duì)模型中鋼管束與混凝土之間相對(duì)滑移進(jìn)行了模擬，以“硬”接觸和摩擦系數(shù)為0.4的“罰摩擦”模擬鋼管束與混凝土間的法向行為與切向行為。鋼纖維混凝土、鋼管束與頂梁、基礎(chǔ)梁的接觸均選用束縛“Tie”約束。相關(guān)研究結(jié)果表明，構(gòu)件在低周往復(fù)荷載或單調(diào)荷載作用下，兩者力學(xué)性能響應(yīng)基本一致[9]。為更好地觀察各設(shè)置參數(shù)對(duì)構(gòu)件承載力的影響，本文僅對(duì)其進(jìn)行單調(diào)加載。

1.4 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證考慮鋼纖維隨機(jī)分布的有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將有限元分析結(jié)果與張兆強(qiáng)等[10]完成的鋼纖維混凝土方鋼管短柱軸壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。本文分析的試件尺寸為：100 mm×2.8 mm×350 mm，鋼纖維體積率為0.50%，詳細(xì)參數(shù)取值參考文獻(xiàn)[10]。試件與有限元荷載（F）-位移（Δ）曲線的對(duì)比結(jié)果如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，有限元模擬計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果總體上吻合較好。表1分別列出了試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析的峰值荷載計(jì)算結(jié)果。從表1可見(jiàn)，有限元計(jì)算的峰值承載力與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差為1.6%，有限元模型求解精度高。

圖2 驗(yàn)證的有限元模型及對(duì)比圖

表1 鋼纖維混凝土方鋼管軸壓試驗(yàn)與有限元分析的結(jié)果比較

2 參數(shù)分析

2.1 參數(shù)選取

研究表明[1-2]，剪力墻的壓彎性能與軸壓比、混凝土強(qiáng)度、剪跨比、含鋼率等參數(shù)有關(guān)。因此，本文主要分析鋼纖維體積率、混凝土強(qiáng)度、軸壓比、鋼管束板厚等參數(shù)對(duì)構(gòu)件壓彎性能的影響規(guī)律。本文基準(zhǔn)模型尺寸為：130 mm×2 056 mm×1 028 mm，采用驗(yàn)證的有限元模型方法建立基準(zhǔn)模型，如圖3所示。表2列出了在基準(zhǔn)模型基礎(chǔ)上變化構(gòu)件參數(shù)得到的8個(gè)模型，通過(guò)有限元模型計(jì)算，得到每個(gè)模型對(duì)應(yīng)的峰值承載力結(jié)果。

圖3 構(gòu)件有限元模型圖（左）和鋼纖維分布圖（右）

表2 構(gòu)件參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

2.2 鋼纖維體積率

在混凝土中摻入鋼纖維，可以改善混凝土的抗彎、抗裂性能[4]；已有研究[5]表明，鋼纖維摻入容易形成鋼纖維團(tuán)聚而影響構(gòu)件性能，故本文僅模擬鋼纖維摻量不超過(guò)1.0%的情況。設(shè)計(jì)了4個(gè)剪力墻試件 S0-1-C30、S25-1-C30、S50-1-C30、S100-1-C30，鋼纖維體積率分別為 0%、0.25%、0.5%、1.0%，其余參數(shù)均相同。

圖4給出不同鋼纖維體積率下的荷載（F）-位移（Δ）曲線圖。由圖4可見(jiàn)，構(gòu)件的受壓彎峰值承載力隨鋼纖維體積率的增加而增大。通過(guò)與未摻入鋼纖維的鋼管束剪力墻構(gòu)件比較，結(jié)果表明，摻入鋼纖維體積率為0.25%、0.5%、1.0%時(shí)，構(gòu)件峰值承載力分別提高1.6%、2.5%、3.5%。同時(shí)，摻入鋼纖維鋼管束組合剪力墻具有良好的延性。

圖4 不同貢獻(xiàn)為體積率的荷載-位移曲線

2.3 軸壓比

軸壓比是剪力墻構(gòu)件承載能力的主要影響因素之一[5]，本文通過(guò)兩個(gè)剪力墻構(gòu)件分析軸壓比對(duì)其承載力的影響。圖5所示為不同軸壓比下的構(gòu)件荷載（N）-位移（Δ）曲線圖。從該圖可見(jiàn)，軸壓比為0.1的構(gòu)件，相較于軸壓比為0.3的構(gòu)件，其峰值承載力更高，且曲線下降更為平緩，延性較好。當(dāng)軸壓比為0.3時(shí)，鋼管束已經(jīng)進(jìn)入彈塑性階段而變形，影響了鋼纖維混凝土與鋼管束之間的相互作用，進(jìn)而使構(gòu)件承載力降低。

圖5 不同軸壓比的荷載-位移曲線

2.4 混凝土強(qiáng)度

圖6給出了混凝土強(qiáng)度分別為30、40 MPa的鋼纖維混凝土-鋼管束剪力墻的荷載（F）-位移（Δ）曲線圖。在分析這部分影響時(shí)，均考慮了混凝土的損傷。由圖6可見(jiàn)，混凝土強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件承載力、初始剛度及延性均有一定影響，構(gòu)件初始剛度及承載力均隨混凝土強(qiáng)度的提升而增大，同時(shí)延性隨之減小。

圖6 不同混凝土強(qiáng)度的荷載-位移曲線

2.5 鋼管束板厚

圖7為不同鋼管束板厚的荷載（F）-位移（Δ）曲線圖，鋼管束板厚對(duì)剪力墻構(gòu)件的彈性剛度有明顯的影響；在達(dá)到峰值荷載時(shí)，板厚對(duì)其承載能力的影響也較為顯著。板厚從3.5變?yōu)?.0 mm，峰值承載力提高11.2%。保持板厚3.5mm不變，在鋼管束邊緣豎向部分摻入1.0%鋼纖維時(shí)，構(gòu)件承載力提高3.8%。因此，通過(guò)摻入一定量的鋼纖維，可以有效提高鋼管束剪力墻構(gòu)件的承載能力及延性，達(dá)到與增加鋼管束板厚相同的效果。

圖7 不同板厚的荷載-位移曲線

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)內(nèi)填鋼纖維混凝土-鋼管束剪力墻的壓彎構(gòu)件進(jìn)行有限元模擬分析，得到以下結(jié)論：

（1）鋼纖維體積率和混凝土強(qiáng)度的提高均能增大構(gòu)件的極限承載能力。然而，混凝土強(qiáng)度的提高會(huì)降低構(gòu)件延性，鋼纖維的摻入在提高構(gòu)件承載能力的同時(shí)不降低其延性。

（2）隨著構(gòu)件軸壓比的增大，鋼纖維-鋼管束剪力墻的壓彎承載力減小。

（3）鋼管束板厚的增大，內(nèi)部混凝土所受約束效應(yīng)有所增強(qiáng)，構(gòu)件承載能力隨之提高。通過(guò)摻入一定量的鋼纖維，可以達(dá)到與增加鋼管束板厚相同的效果。