鋼纖維體積摻量對(duì)RC剪力墻承載力影響研究

李 飛，胡嘉明

(1.蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011；2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力檢修公司，寧夏 銀川 750011)

0 前 言

傳統(tǒng)RC剪力墻通常作為高層建筑的主要抗側(cè)構(gòu)件，雖然具有抗側(cè)剛度大、承載力高等優(yōu)點(diǎn)，但變形能力和耗能能力差。鋼纖維RC剪力墻是在 RC剪力墻的基礎(chǔ)上，在混凝土中加入適量鋼纖維后得到的一種剪力墻結(jié)構(gòu)，可以在一定程度上改善RC剪力墻的抗震性能。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼纖維RC剪力墻進(jìn)行了一系列研究，Eom等[1]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維的摻入顯著提高了RC剪力墻的抗震性能。杜興亮[2]通過(guò)7塊RC剪力墻的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，由于鋼纖維的摻入，RC剪力墻的抗裂性能得到有效改善，抗剪承載力、抗側(cè)剛度、延性和耗能能力也得到了有效提高，同時(shí)，鋼纖維的加入改變了RC剪力墻的破壞模式。趙軍等[3]通過(guò)擬靜力試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與普通RC剪力墻相比，鋼纖維RC剪力墻的滯回曲線趨于飽滿(mǎn)，延性和耗能能力明顯提高。趙軍等[4]對(duì)4片高寬比為1∶1的剪力墻試件進(jìn)行擬靜力加載試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維的阻裂效果明顯，鋼纖維的加入使得RC剪力墻的滯回曲線趨于飽滿(mǎn)，延性和耗能能力明顯改善，并給出了延性和耗能能力的計(jì)算結(jié)果。尤培波[5]提出了一種鋼管混凝土邊框鋼纖維高強(qiáng)混凝土新型剪力墻，并進(jìn)行擬靜力加載試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，鋼纖維的加入改變了裂縫形態(tài)，提高了剪力墻的抗震性能，并提出了該新型剪力墻的承載力計(jì)算方法。

本文在ABAQUS已有混凝土損傷塑性模型基礎(chǔ)上，結(jié)合前人研究，給出了鋼纖維混凝土的損傷塑性模型。采用ABAQUS對(duì)鋼纖維RC剪力墻的力學(xué)性能進(jìn)行研究，考察了鋼纖維體積摻量和配筋率對(duì)其承載力和抗側(cè)剛度的影響。

1 有限元模型的建立

1.1 BASE試件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的BASE試件墻體寬度為1 350 mm，高為950 mm，厚度為60 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，鋼纖維體積摻量為0.5%，分布鋼筋角度為0°/90°，鋼筋直徑為6 mm，等級(jí)為HPB235，鋼筋間距為120 mm，并設(shè)置暗梁暗柱。

1.2 材料本構(gòu)

1)混凝土材料本構(gòu)。徐禮華[6-7]結(jié)合鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土的試驗(yàn)結(jié)果，在過(guò)鎮(zhèn)海[8-9]建議的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線方程的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析獲得了鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。本文通過(guò)忽略鋼-聚丙烯混雜纖維中所對(duì)應(yīng)的聚丙烯纖維的參數(shù)，得到了鋼纖維混凝土的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

(1)單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變[10]關(guān)系按式(1)～(6)計(jì)算：

(1)

x=εc/εfc0,y=σc/ffc

(2)

(3)

(4)

ffc=fc(1+0.206λsf)

(5)

(6)

式中，ffc、fc分別為鋼纖維混凝土和普通混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度；εfc0為鋼纖維混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的峰值應(yīng)力應(yīng)變；λsf為鋼纖維特征值，λsf=Vsf(lsf/dsf),其中，Vsf為鋼纖維體積分?jǐn)?shù)；lsf/dsf為鋼纖維的長(zhǎng)徑比；參數(shù)a的取值范圍為1.5≤a≤3，當(dāng)a=1.5時(shí)，取a=1.5，當(dāng)a>3時(shí)，取a=3。

(2)單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[11]按式(7)～(13)計(jì)算：

σ=(1-d1)Eftε

(7)

(8)

α1=ξ11.2(1+0.265λsf)

(9)

(10)

fft=fmt(1+0.366λsf)

(11)

εft=εmt(1+0.498λsf)

(12)

x=ε1/εft0,ρ1=fmt/Eftεft0

(13)

式中，fft和fmt分別為鋼纖維混凝土和相同配合比下混凝土軸心抗拉強(qiáng)度；εft0和εmt分別為鋼纖維混凝土和相同配合比下混凝土基體軸心受拉峰值應(yīng)力應(yīng)變；λsf為鋼纖維特征值，λsf=Vsf(lsf/dsf)。其中，Vsf為鋼纖維體積分?jǐn)?shù)；lsf/dsf為鋼纖維的長(zhǎng)徑比；Eft為鋼纖維混凝土彈性模量[12]按公式Eft=(1.751+0.652fft)×104計(jì)算；ξ1、ξ2為修正系數(shù)。當(dāng)混凝土基體為C30時(shí)，取ξ1=1.02，ξ2=0.97。

混凝土損傷塑性模型(CDP)中，剪脹角(Dilation Angle)、流動(dòng)勢(shì)偏移值(Eccentricity)、雙軸極限抗壓應(yīng)力與單軸極限抗壓力比值(fb0/fc0)、拉壓子午面上第二應(yīng)力不變量的比值(K)以及粘塑性參數(shù)(Viscosity Parameter)這些參數(shù)均按普通混凝土取值。

除了以上參數(shù)，CDP模型還要求提供混凝土受壓應(yīng)力-非彈性應(yīng)變關(guān)系以及受壓損傷因子，和混凝土受拉應(yīng)力-開(kāi)裂應(yīng)變關(guān)系以及受拉損傷因子?；炷潦軌簯?yīng)力-非彈性應(yīng)變關(guān)系可由單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系求得，混凝土受拉應(yīng)力-開(kāi)裂應(yīng)變關(guān)系可由單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系求得，損傷因子D由《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)[13]中的損傷參數(shù)d根據(jù)文獻(xiàn)[14]推薦的式(14)計(jì)算確定：

(14)

2)鋼材本構(gòu)。鋼材本構(gòu)關(guān)系采用雙折線隨動(dòng)強(qiáng)化模型。其中，鋼材的屈服強(qiáng)度f(wàn)y、極限強(qiáng)度f(wàn)u、彈性模量Es均采用材性試驗(yàn)結(jié)果，鋼材的泊松比取0.3。

1.3 單元類(lèi)型

混凝土、槽鋼連接件和鋼框架采用8節(jié)點(diǎn)線性減縮積分六面體實(shí)體單元C3D8R，鋼筋采用2節(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元T3D2。

1.4 相互作用

鋼框架與槽鋼連接件采用“Tie”約束，用來(lái)模擬焊接。槽鋼連接件與鋼筋均“Embedded”在鋼纖維混凝土墻中。鋼纖維混凝土墻板與鋼框架之間的切向采用摩擦接觸，法向采用“硬”接觸。在鋼梁中間位置的上部創(chuàng)建參考點(diǎn)RP-1，并與鋼框架上表面“Coupling”。

1.5 邊界條件

鋼框架下部所有自由度施加了位移約束；對(duì)耦合點(diǎn)(RP-1)處施加U1方向位移來(lái)模擬所施加的水平位移，施加U3方向位移約束模擬側(cè)向支撐。

2 結(jié)果分析

為評(píng)估鋼纖維體積摻量對(duì)鋼纖維RC剪力墻受力性能的影響，設(shè)計(jì)了鋼纖維摻量(Steel Fiber Proportion)系列，鋼纖維體積摻量分別為0%和1%，試件編號(hào)為SFP-1和SFP-2。

1)骨架曲線。圖1給出了SFP系列試件的骨架曲線。

圖1 SFP系列骨架曲線

由圖1可知，BASE、SFP-1、SFP-2試件的峰值荷載分別為348.76、331.13、358.04 kN?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著鋼纖維體積摻量的增加，鋼纖維RC剪力墻的水平承載力有一定程度的增加。

3 結(jié) 論

鋼纖維體積摻量對(duì)鋼纖維RC剪力墻的水平承載力影響較大，隨著鋼纖維體積摻量的增加而增加。

[ID:013277]