钢框架－装配式混凝土抗侧力墙板结构受力性能

吴函恒　周天华　吕　晶

(长安大学建筑工程学院，西安　710061)



钢框架－装配式混凝土抗侧力墙板结构受力性能

吴函恒周天华吕晶

(长安大学建筑工程学院，西安710061)

摘要:为研究钢框架－装配式混凝土抗侧力墙板装配式结构体系的受力性能，对4榀钢框架－预制混凝土抗侧力墙板结构足尺试件进行低周反复荷载作用下的试验研究，测试连接构造的可靠性，研究结构的破坏机理、滞回性能、延性及变形和耗能性能等．采用有限元软件ABAQUS对试验模型进行分析，并在验证有限元模型可靠性的基础上，研究抗侧力墙板与钢梁连接界面的受力性能和传力机理，考察各类连接件承担剪力和弯矩的分布情况以及分配关系．试验结果表明:该结构体系为一种典型的双重抗侧力体系，加载过程呈现出明显的两阶段性，抗侧力墙板先于钢框架破坏，为结构体系的第1道防线;型钢混凝土墙板与钢梁连接界面上的剪力由型钢与抗剪栓钉共同承担，对于钢筋混凝土墙板，剪力作用主要由抗剪栓钉承担;连接界面上的弯矩作用主要通过型钢(或锚筋)承担拉、压力和混凝土承压来平衡．

关键词:钢框架;混凝土抗侧力墙板;装配式结构;拟静力试验;有限元分析

引用本文:吴函恒，周天华，吕晶．钢框架－装配式混凝土抗侧力墙板结构受力性能［J］．东南大学学报(自然科学版)，2016，46(1) : 118－125．DOI: 10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．020．

钢框架与内填式混凝土墙组成的双重抗侧力体系能充分结合二者的优点，具有抗侧刚度大、延性好、多道抗震设防的特点．近年来，国内外研究人员提出了多种形式内填式墙体，如钢筋混凝土剪力墙、钢板剪力墙、钢－混凝土组合剪力墙等，并进行了大量的试验研究和理论分析［1－5］．

在推动建筑产业化和现代化的背景下，为实现内填式墙体的预制装配化，文献［6］提出了一种新型装配式双重抗侧力结构体系——钢框架－预制混凝土抗侧力墙板装配式结构体系(SPW体系)，该体系的主要抗侧力组成——钢框架和预制混凝土抗侧力墙板均可实现预制装配化，施工周期短，大幅度减少了现场湿作业，节省了人力，提高了效率．

本文对4榀由钢框架和型钢混凝土抗侧力墙板、钢筋混凝土抗侧力墙板组成的单层单跨足尺SPW体系结构模型开展低周反复加载试验研究，测试连接构造的可靠性，考察结构在水平荷载作用下的破坏机理和力学性能，并通过ABAQUS软件对试验模型进行有限元分析，研究抗侧力墙体与钢梁连接界面的受力性能，为后续研究和工程应用提供参考．

1　试验

对4榀足尺单层单跨SPW结构进行了水平低周反复加载试验．其中，试件SPW-1和SPW-2相同，其墙体均为型钢混凝土抗侧力墙板;试件SPW-a和SPW-b的墙板为钢筋混凝土抗侧力墙板．框架柱、梁规格为分别为HW300×300×10× 15，HN350×175×7×11，钢材材质为Q235B级，梁柱节点采用栓焊式刚性连接，并按照文献［7］进行了强节点设计．预制混凝土抗侧力墙板高2 430 mm，宽1 200 mm，厚度为120 mm，混凝土设计强度等级为C30，水平分布钢筋尺寸为8@ 100 mm(双层)，竖向分布钢筋尺寸为6．5@100 mm(双层)，暗柱尺寸为250 mm×120 mm，内配66．5 mm的纵向钢筋，加密区箍筋尺寸为6．5@ 100 mm，非加密区筋尺寸为6．5@ 200 mm，加密区高度为500 mm．试件SPW-1和SPW-2在暗柱内设置I10型钢．试件的几何尺寸和连接构造如图1所示．其中，钢筋、型钢和混凝土材料力学指标实测值见文献［8］．

采用力和位移控制加载模式［9］，对顶部框架梁施加水平低周反复荷载，直至试件发生破坏．水平加载过程中，框架柱顶部保持500 kN的竖向荷载．

图1　试件几何尺寸及构造(单位: mm)

2　试验结果及分析

2．1试件破坏形态

对于钢框架－型钢混凝土墙板试件SPW-1和SPW-2，抗侧力墙板作为第1道防线，在加载前期承担主要的水平荷载，并呈现出弯曲型破坏的特点，角部受压区混凝土压碎、剥落进而出现露筋现象，损伤累积严重(见图2(a) )，角部受拉区型钢端部达到屈服状态，此时水平荷载达到峰值Pmax，而通过应变观察，钢框架处在弹性阶段;墙板逐步退出工作后，荷载向钢框架转移，框架/梁、柱端先后出现较大塑性变形(见图2(b)和(c) )，而抗侧力墙板由于在加载后期变形过大，在型钢和混凝土界面发生黏结滑移而破坏(见图2(d) )．

图2　试件SPW-1和SPW-2的破坏过程

对于钢框架－钢筋混凝土墙板试件SPW-a和SPW-b，在加载前期，抗侧力墙板承担主要的水平荷载，随着荷载的增大，抗侧力墙板顶部预埋锚筋和栓钉抗剪键发生破坏(见图3(a) )，墙体顶部连接失效(见图3(b) )，抗侧力墙板完全退出工作;继续加载，结构由双重抗侧力体系变为单一的钢框架体系，并相继在梁端和柱端出现塑性变形(见图3(c)和3(d) )，钢框架达到承载能力的极限状态．

由此可知，结构体系的破坏过程可明显地分为2个阶段:①抗侧力墙板作为第1道抗震防线，承担大部分水平荷载，达到其承载能力的极限状态，试件SPW-1和SPW-2的墙板发生弯曲型破坏，试件SPW-a和SPW-b的墙板发生连接型破坏;②钢框架作为第2道抗震防线承担主要水平荷载，达到其承载能力的极限状态．结构体系在不同受力阶段的破坏特征见表1．

图3　试件SPW-a和SPW-b的破坏过程

表1　试件各受力阶段的破坏形态

2．2滞回曲线与耗能性能

图4给出了试件水平荷载P和层间位移Δ的滞回曲线．由图可知，在加载初期，结构处于弹性阶段，滞回环不明显．随着荷载的增加，由于墙板混凝土逐渐开裂，结构表现出一定耗能能力，滞回环面积略微增大．在加载后期，试件SPW-1和SPW-2的强度和刚度明显退化，由于墙体进一步破坏，其消耗比例不断下降，钢框架耗能比例上升，滞回环逐步增大，结构整体的耗能能力呈现上升趋势，试件SPW-1和SPW-2在极限荷载处的等效黏滞阻尼系数分别为0．149和0．161．试件SPW-a和SPW-b的墙板顶部连接界面发生连接破坏，墙板完全退出工作，由钢框架承担全部的水平荷载，其滞回环饱满，耗能性能良好，试件SPW-a和SPW-b在极限荷载处的等效黏滞阻尼系数分别为0．301和0．303．

图4　P-Δ滞回曲线

2．3骨架曲线、承载力、延性及变形性能

图5给出了试件的水平荷载－层间位移(PΔ)骨架曲线．由图可知，试件SPW-1和SPW-2的加载全过程经历了弹性、弹塑性阶段和塑性破坏3个阶段．当层间位移角δ= 1/50(即层间位移为56 mm)时，试件仍具有不低于峰值荷载85%的承载能力，表现出较好的变形能力．而对于试件SPW-a 和SPW-b，其受力过程可分为2个阶段:①钢框架与抗侧力墙板共同抵抗水平荷载，抗侧刚度较大，墙板顶部连接失效，抗侧力墙板完全退出工作，因此骨架曲线上存在明显的突变;②钢框架独立承担水平荷载，抗侧刚度较低，但退化速度慢，具有较好的延性．

图5　P-Δ骨架曲线及有限元分析结果

依据《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101—2015)［9］确定试件的位移延性系数μ、开裂荷载Pcr、屈服荷载Py、峰值荷载Pmax、极限荷载Pu及其对应的层间位移Δcr，Δy，Δmax，Δu．其中，开裂荷载取抗侧力墙板出现首条裂缝对应的荷载;位移延性系数μ为极限位移Δu与屈服位移Δy的比值．结果见表2．

3　有限元分析

3．1模型建立

淋巴结总数≥20个组与淋巴结总数<20个组术后复发率，差异无统计学意义(χ2=7.254，P=0.264)。其中Ⅰ期、Ⅱ期患者淋巴结总数≥20个与淋巴结总数<20个术后复发率差异均无统计学意义(χ2=3.194，P=0.297，χ2=5.285，P=0.642)，Ⅲ期患者淋巴结总数≥20个与淋巴结总数<20个差异有统计学意义(P=0.007)。Ⅳ期只有2例，都切除腹主动脉旁淋巴结，因此不进行统计学分析。详见表1。

采用有限元软件ABAQUS对试验模型进行了非线性有限元分析，框架梁、框架柱、墙体内置型钢和连接钢板采用S4R壳单元，墙板混凝土采用C3D8R实体单元，钢筋和锚筋采用T3D2桁架单元，抗剪栓钉采用实体单元C3D8R．钢材的本构关系曲线采用双线性随动强化模型，根据材性试验确定弹性模量、屈服强度值和极限强度值;混凝土本构关系采用塑性损伤模型，混凝土单轴拉压应力－应变关系和损伤指标参照文献［10］定义;针对锚筋和抗剪栓钉在焊接部位发生断裂的现象，采用延性损伤准则模拟断裂行为，预设断裂位置如图6所示．当损伤指标D = 1时，通过单元删除实现断裂模拟，损伤参数参见文献［11］．设置面－面接触来模拟抗侧力墙板体顶部和底部端面与框架梁、连接板之间的相关作用．

表2　骨架曲线特征点实测结果

图6　预设断裂位置

3．2结果分析

图7给出了试件SPW-a和SPW-b连接处的有限元模拟图．由图可知，当预设断裂位置处单元的损伤指标D = 1时，该单元被删除，墙板与钢梁连接失效，墙板退出工作．

图7　试件SPW-a和SPW-b连接处的有限元破坏形态

有限元分析得到的荷载－层间位移骨架曲线与试验结果曲线对比见图5．由图可知，有限元分析曲线与试验曲线吻合较好，前者能反映出结构的刚度、强度变化规律．针对试件SPW-a和SPW-b，有限元分析能够较为准确地模拟2个阶段的受力过程．

4　墙板与钢梁连接界面的受力性能

抗侧力墙板与框架梁的连接是保证钢框架与抗侧力墙板协同工作的关键环节，其受力复杂．试验研究表明，混凝土墙板与钢制T形预埋件的连接界面是受力的薄弱环节，界面角部抗拔锚筋和抗剪栓钉在循环荷载作用下易发生断裂现象，致使墙体较早地退出工作，不能发挥抗侧力作用，导致结构的承载能力和延性未得到充分发挥．通过有限元分析，研究该连接界面的受力性能和传力机理，考察各类连接件的内力分配关系，以补充试验研究中因量测条件限制而未能充分考察的细部受力状态．

4．1连接界面的传力机理

图8　连接界面的受力简图

墙板顶部、底部的连接界面为墙板传递弯矩和剪力作用，设连接界面上的弯矩和剪力分别为Mw和Vw，则界面上的角部连接件(型钢或锚筋)和抗剪件(栓钉)承担该弯矩和剪力．受力简图如图8所示．图中，Mw为墙板承担的弯矩; Vc1，Vc2分别为墙板两端角部连接件承担的剪力作用; Vsi(i =1，2，…，6)为第i个抗剪件承担的剪力; Ncj(j =1，2)为第j个角部连接件承担的拉/压力; Nsi(i =1，2，…，6)为第i个抗剪件承担的拉/压力．

由于混凝土与钢材摩擦系数值的变异性较大，影响因素众多［12］，故偏保守地忽略混凝土与钢材之间的摩擦作用，假定连接界面的剪力由角部连接件和抗剪件承担，即

而对于弯矩作用的传递，在连接界面受拉区由角部连接件和部分抗剪件承担;在受压区由混凝土承压和角部连接件、部分抗剪件承担，同时忽略角部连接件和抗剪件自身的弯曲作用，即

式中，xcj(j =1，2)为第j个角部连接件承担的拉/压力作用点至弯矩中和轴的距离; xsi(i = 1，2，…，6)为第i个抗剪件承担的拉/压力作用点至弯矩中和轴的距离;σc，Ac分别为连接界面上混凝土承担的平均压应力和承压面积．

4．2连接件的剪力分配关系

通过有限元分析得到各连接件承担剪力分布情况．层间位移角θ=1/1 000、屈服点、峰值点和破坏点时各连接件承担剪力V的分布情况见图9，相应的剪力分担率见图10．图中，X1，X2分别表示2根型钢，S1～S6分别表示6个栓钉，M1～M4表示4个锚筋．

由图9和图10可知，试件SPW-1和SPW-2连接界面的剪力由型钢与抗剪栓钉共同承担，在加载初期，抗剪栓钉承担50%～60%的剪力，型钢承担40%～50%的剪力;随着荷载的增加，栓钉承担的剪力逐步减少，型钢承担的剪力逐步增加．试件SPW-a和SPW-b连接界面的剪力大部分由抗剪栓钉承担，其分担率超过80%，角部锚筋仅承担不足20%的剪力．

4．3连接件的弯矩分配关系

图9　剪力分布

图10　剪力分担率

根据有限元分析，可得到连接件受承担弯矩作用而产生的拉/压力分布情况．层间位移角θ= 1/1 000、屈服点、峰值点和破坏点时各连接件承担拉、压力的分布情况见图11，相应的弯矩分配关系见图12．图11中，横坐标M所对应的拉/压力为4个锚筋M1～M4承担的拉/压力之和．试件SPW-1 和SPW-2连接界面的弯矩作用主要由型钢承担的拉/压力和混凝土承压来平衡，抗剪栓钉承担的弯曲作用产生的拉/压力较小，其弯矩分担率低于10%．试件SPW-a和SPW-b连接界面的弯矩作用主要通过角部锚筋承担拉/压力作用和混凝土承压来平衡．抗剪栓钉承担的弯矩作用产生的拉/压力较小，其弯矩分担率低于20%．

图11　拉力和压力分布

图12　弯矩分担率

5　结论

1)抗侧力墙板作为结构体系的第1道抗震防线，在加载前期承担主要的水平荷载，型钢混凝土墙板发生弯曲型破坏，钢筋混凝土墙板发生连接型破坏．当墙板逐步退出工作时，水平荷载向钢框架转移，钢框架成为结构的第2道抗震防线．钢框架－混凝土抗侧力墙板装配式结构是一种典型的双重抗侧力体系，加载过程呈现出明显的两阶段性．

2)在加载后期，钢筋混凝土抗侧力墙板的锚筋和抗剪栓钉连接件在反复荷载作用下发生根部焊缝断裂．

3)有限元分析得到的结果和试验研究结果较为吻合，表明所提出的有限元模型能够较为准确地模拟钢框架－装配式混凝土抗侧力墙板结构的受力性能．

4)型钢混凝土墙板与钢梁连接界面上的剪力由型钢与抗剪栓钉共同承担;对于钢筋混凝土墙板，剪力作用主要由抗剪栓钉承担．而2类墙板与钢梁连接界面上的弯矩作用主要通过型钢(或锚筋)承担拉、压力和混凝土承压来平衡．

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Mechanical behavior of steel frame-fabricated concrete lateral force resisting wall structures

Wu Hanheng Zhou Tianhua Lü Jing
(School of Civil Engineering，Chang'an University，Xi'an 710061，China)

Abstract:In order to research the mechanical behavior of steel frame-fabricated concrete lateral force resisting wall structures，four full scale specimens were tested with cyclic horizontal loads．The reliability，failure mode，hysteretic behavior，ductility，deformation，and energy dissipation of the fabricated structures were investigated．The finite element software ABAQUS was used to analyze the experimental model．The mechanical behavior and the force transfer mechanism of the connection interface between the lateral force resisting wall and the steel beam were analyzed based on the reliability of the finite element model．The distribution and relationship of the shear force and the bending moment shared by all kinds of connectors were investigated．The experimental results show that the structure is a kind of typical double lateral force resisting systems．The loading process presents obvious two stages．The concrete lateral force resisting wall is destroyed before the steel frame and regarded as the first line of defense for the structural system．The shear force in the connection interface between the steel concrete lateral force resisting wall and the steel beam is shared by the shape steel and the stud，and the shear force is mainly shared by the stud for the concrete lateral force resisting wall．The bending moment in the connection interface is balanced by the tensile and the compressive force shared by shape steel or anchor bar and the compressive force shared by concrete．

Key words:steel frame; concrete lateral force resisting wall; fabricated structure; quasi-static test; finite element analysis

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51508029)、中国博士后科学基金面上资助项目(2015M580802)、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(310828161008，310828161011)．

收稿日期:2015-06-17．

作者简介:吴函恒(1984—)，男，博士，讲师，wuhanheng@163．com．

DOI:10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．020

中图分类号:TU398．2

文献标志码:A

文章编号:1001－0505(2016) 01-0118-08