外肋板剛度對外肋板式組合剪力墻結構抗震性能影響研究*

郝林峰,萬馨,劉一

(內蒙古科技大學 土木工程學院,內蒙古 包頭 014010)

剪力墻作為建筑中的關鍵抗震構件,自鋼板混凝土組合剪力墻提出以來,國內學者對其進行了大量的研究.聶建國[1,2]團隊、李云等[3]、李奉閣等[4]對多種鋼板組合剪力墻進行試驗分析,發(fā)現(xiàn)此種剪力墻承載力高,抗震性能好,具有較好的應用前景.

將雙鋼板混凝土組合剪力墻與鋼梁組合,通過外肋板與外伸梁段加強節(jié)點連接,形成一種新型的墻梁結構.前期研究結果表明,該結構承載力及抗震性能較好,具有一定的實際應用價值[5].但結構的節(jié)點外肋板易發(fā)生開裂,影響結構性能.而針對節(jié)點板件的研究較少,沒有相關的設計參考.本文運用ABAQUS軟件進行有限元模擬,分析不同鋼材屈服強度和鋼連梁變形特征下,外肋板寬厚比對結構抗震性能的影響.探究外肋板最佳尺寸,以提供相關設計建議,指導工程實踐.

1 有限元模型確立

圖1為外肋板式聯(lián)肢鋼板組合剪力墻—鋼梁結構形式.外伸梁段與剪力墻焊接,外肋板通過焊接連接剪力墻與外伸梁段翼緣以加強節(jié)點.外伸梁段與鋼連梁的連接中,翼緣為焊接,腹板為螺栓連接.剪力墻呈矩形,由外包鋼板與內筑混凝土構成,外包鋼板間焊接加勁肋以提高鋼板與混凝土的協(xié)同工作性能.

圖1 外肋板式聯(lián)肢鋼板組合剪力墻—鋼梁結構形式

1.1 模型參數(shù)

本文研究對象為3層的外肋板式聯(lián)肢鋼板組合剪力墻—鋼梁結構.層高3 m,頂部預留0.2 m設置加載梁,總高度9.2 m.剪力墻寬0.8 m,厚0.2 m.

鋼材本構關系采用Von Mises屈服準則和硬化彈塑性模型.彈性模量E=2.06×105MPa,強化段的模量取彈性模量的1%[6],泊松比為0.3.螺栓采用10.9級M27高強度螺栓,螺栓鋼材本構取自文獻[5],彈性模量E=2.11×105MPa.混凝土為C40混凝土,本構關系采用塑性損傷模型,彈性模量E=3.25×104MPa,泊松比取0.2[7].

高強螺栓采用B31單元,鋼構件及混凝土采用C3D8R單元.模型墻底部固定,墻頂施加側向約束.構件焊接采用綁定約束模擬,鋼連梁腹板與連接板之間、混凝土與鋼板之間定義接觸,摩擦系數(shù)取0.35.對墻頂施加軸向荷載,同時設置加載梁保證加力均勻.加載模型如圖2所示.

圖2 加載模型

圖3為模型的加載制度,采用位移控制分級加載,其中Δy為屈服位移.將墻頂加載梁以加載點為控制點設置剛體,加載位移施加于加載點上.屈服前位移荷載分3級,每級遞增0.25Δy反復一次.結構達到屈服以后,每級遞增0.5Δy反復2次,試件的荷載下降到峰值荷載的85%時停止加載[8].

圖3 加載制度

1.2 有限元模型驗證

為驗證上述模擬方法與實際試驗是否相符,對文獻[9]中的試件進行模擬驗證,建模方法及各參數(shù)均與上述相同.試件為型鋼混凝土組合剪力墻-鋼連梁結構.試件共5層,由型鋼框架、鋼板、混凝土組成.試件經(jīng)過1/4縮尺,層高0.8 m,剪力墻寬0.8 m,厚0.12 m.鋼框架為90 mm×60 mm×6 mm×10 mm的H型鋼焊接而成,內含6 mm鋼板.鋼梁一、二層為150 mm×130 mm×6 mm×10mm,三、四、五層為160 mm×100 mm×6 mm×10mm.剪力墻頂部設置加載梁,底部設置基座梁.

試件在加載過程中,混凝土裂縫首先出現(xiàn)在底層.之后裂縫由下至上,由外向內逐漸發(fā)展.當加載位移到40 mm時,一、二、三層的鋼連梁出現(xiàn)剪切變形.加載后期,墻底角部的混凝土大面積壓潰脫落,混凝土脫落部位的鋼筋和型鋼柱露出.其中暗柱的外側縱筋被拉斷,中部縱筋被壓彎.圖4為鋼框架、鋼筋和第二層鋼連梁的模擬結果與試驗結果的對比,模擬結果與試驗結果符合程度較好.

圖4 試驗和模擬破壞現(xiàn)象對比

圖5為試件滯回曲線和骨架曲線的對比.兩者滯回曲線形狀大致相同,有限元滯回曲線比試驗滯回曲線更加飽滿.骨架曲線中,加載中期的2曲線有些許偏差,峰值點位移有限元延后10.2 mm,屈服荷載有限元比試驗大9.8%左右.由于有限元軟件不能模擬出混凝土的開裂對結果的影響,以及試驗試件的材料本身、試件制作及加載過程的各項缺陷等的影響,使模擬結果與試驗結果出現(xiàn)差異.但兩者結果差異較小,數(shù)據(jù)差異在10%以內.

圖5 滯回曲線與骨架曲線對比

1.3 有限元模型拓展設計

表1為模型設計參數(shù),模型編號中,S代表剪切型,BS代表彎剪型,B代表彎曲型;r+數(shù)字代表外肋板寬厚比數(shù)值.為排除耦連比的影響,模型耦連比均設計為0.45.鋼連梁變形特征在限制相同的Mp/Vp(Mp為鋼梁的塑性受彎承載力,Vp為鋼梁的塑性受剪承載力),通過不同的鋼連梁跨度來改變[10].其中剪切型表示鋼連梁以剪切變形為主;彎剪型表示鋼連梁變形介于剪切變形和彎曲變形之間;彎曲型表示鋼連梁以彎曲變形為主.鋼連梁截面尺寸在滿足上述條件的情況下選取.

表1 模型設計參數(shù)

1.4 外肋板測點選取

圖6為文獻[5]試驗試件的外肋板破壞圖.在外肋板上選取合適測點,測量加載過程中測點區(qū)域的應力變化,確定外肋板是否能在各構件破壞前穩(wěn)定傳力而不發(fā)生破壞.測點應設置在外肋板易發(fā)生破壞的位置,即外肋板的薄弱部位.圖中外肋板的外側(與外伸梁段腹板不處于同一平面的一側為外側)在外伸梁段與剪力墻連接界面處發(fā)生斷裂.

圖6 外肋板破壞圖

圖7為模型節(jié)點的應力云圖,圖中外肋板在外伸梁段與剪力墻連接界面處的外側應力較高.由此可以判斷,外伸梁段與剪力墻連接界面的外側為外肋板的薄弱部位,測點將選取模型第二層連接外伸梁段上翼緣與加載側剪力墻外肋板的薄弱部位.

圖7 節(jié)點應力云圖

2 有限元結果分析

2.1 不同鋼材屈服強度下外肋板寬厚比對結構抗震性能的影響

1)對結構抗震性能的影響

圖8為3組不同鋼材屈服強度模型的骨架曲線,表2為各模型的位移延性系數(shù)和能量耗散系數(shù),其中各參數(shù)按照規(guī)程[11]進行計算.結果表明,增大外肋板寬厚比可略微提高結構的承載力.外肋板寬厚比由4提高到12,結構延性和耗能略有提高.同時過高的寬厚比會使外肋板變薄,外肋板剛度減弱,降低節(jié)點的穩(wěn)定承載能力.因此,外肋板寬厚比為16和20的模型延性和耗能出現(xiàn)下降.

表2 各模型的位移延性系數(shù)和能量耗散系數(shù)

圖8 骨架曲線

2)外肋板受力分析

圖9為3組模型外肋板的受力變化曲線.圖中Δy為結構達到屈服時對應的屈服位移,Δmax為結構達到極限承載力時對應的位移.分析3組數(shù)據(jù)可得到初步結論:在相同的結構及加載條件下,選取不同的外肋板寬厚比使外肋板上的應力產(chǎn)生較大差異.3組數(shù)據(jù)中,外肋板寬厚比為12的模型,其外肋板上的應力最小.在結構達到屈服時,外肋板上的應力未達到鋼材的屈服強度;所施加荷載達到結構極限承載力時,外肋板上的應力未達到鋼材的抗拉強度.這保證了外肋板傳力的可靠性,避免節(jié)點先于各構件發(fā)生破壞.

圖9 外肋板受力變化曲線(a)Q235-S系列;(b)Q345-S系列;(c)Q390-S系列

通過對3組數(shù)據(jù)逐一分析發(fā)現(xiàn),當采用Q235鋼材時,外肋板寬厚比為4,8,16,20的模型,外肋板上的應力在結構屈服前達到鋼材的屈服強度;采用Q345鋼材時,外肋板寬厚比為4,16,20的模型,外肋板上的應力在結構屈服前達到鋼材的屈服強度;采用Q390鋼材時,外肋板寬厚比為16,20的模型,外肋板上的應力在結構屈服前達到鋼材的屈服強度.因此,外肋板寬厚比不宜選取過高,其次在選材時應優(yōu)先選用高強度鋼材.

2.2 不同鋼連梁破壞特征下外肋板寬厚比對結構抗震性能影響

1)對結構抗震性能的影響

圖10為3組不同鋼連梁破壞特征模型的骨架曲線,表3為各模型的位移延性系數(shù)和能量耗散系數(shù).通過分析各組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),提高外肋板寬厚比對結構抗震性能的影響與前三組分析的規(guī)律基本一致.外肋板寬厚比的增大,可略微提高結構的承載力;延性和耗能隨著外肋板寬厚比的增大,呈先提高后下降的趨勢.

表3 各模型的位移延性系數(shù)和能量耗散系數(shù)

圖10 骨架曲線

2)外肋板受力分析

圖11為3組模型外肋板的受力變化曲線.通過分析發(fā)現(xiàn)鋼連梁變形特征對外肋板寬厚比的取值影響較小,3組模型的曲線分布都符合Q345鋼外肋板寬厚比取值的結論.

圖11 外肋板受力變化曲線(a)Q345-S系列;(b)Q345-BS系列;(c)Q345-B系列

3組模型的曲線的差異主要體現(xiàn)在正向加載中結構屈服后的階段.彎剪型和彎曲型2組模型的外肋板在結構達到極限承載力后,測點上的應力出現(xiàn)下降.這是由于相同耦連比下,彎剪型和彎曲型結構的節(jié)點需傳遞比剪切型更大的彎矩,外肋板測點區(qū)的鋼材在加載中發(fā)生較大變形,承載力降低.因此,彎剪型和彎曲型的結構需要更大尺寸的外肋板以抵御變形.

綜上分析發(fā)現(xiàn),合理設置外肋板尺寸能夠在保證結構性能的情況下,減小外肋板薄弱區(qū)域的應力.這將大大降低外肋板開裂的風險,保證節(jié)點穩(wěn)定傳力.實際工程中,可參考本文結論確定外肋板尺寸.

3 結論

1)綜合分析五組模型數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),當外肋板寬厚比為12時,外肋板上應力最小.因此外肋板式聯(lián)肢鋼板組合剪力墻—鋼梁結構的外肋板寬厚比取值以12最佳.

2)選取高屈服強度的鋼材可放寬外肋板寬厚比的取值范圍:當外肋板采用Q235鋼時,外肋板寬厚比應控制在12左右;當外肋板采用Q345鋼時,外肋板寬厚比可選取在8～12范圍內;當外肋板采用Q390鋼時,外肋板寬厚比可選取在4～12范圍內.

3)鋼連梁的變形特征對外肋板寬厚比的取值影響較小,仍以12為最佳取值,但彎剪型和彎曲型的結構需要較剪切型更大的外肋板尺寸,以保證節(jié)點的可靠性.