单调荷载下带拉条钢板-型钢约束混凝土组合剪力墙力学性能分析

2018-03-08冯建龙刘华盛

四川建筑 2018年1期

冯建龙，刘华盛

(山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东青岛 266590)

[定稿日期]2017-10-18

剪力墙作为高层及超高层建筑中的基本抗侧力构件,具有刚度大、承载力高等优点,在高层建筑中得到了广泛应用。然而传统的钢筋混凝土剪力墙变形能力小、延性及抗震性能较差,易发生脆性破坏[1]。为满足JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中剪力墙轴压比限值的要求，钢筋混凝土剪力墙会做得很厚，而较厚的墙体会导致使用空间减小、结构自重增大等问题。为解决这些问题，各种新型剪力墙结构体系近年来得到广泛研究，钢板-混凝土组合剪力墙就是研究热点之一。1987年Hitachi公司提出两侧钢板内填混凝土墙[2]。由于钢板组成方格的形状，钢板对混凝土的套箍作用加强，并使钢板不容易屈曲，这种剪力墙承载能力和变形能力都很高。Wright H D.等提出了两侧压型钢板内填混凝土组合钢板剪力墙[3]。研究表明该试件拥有较好的抗剪能力，试件的宽厚比对抗剪强度影响比较小，但对弹性区间和极限抗剪强度对应的位移有一定的影响。清华大学聂建国等[4]提出缀板拉结式双钢板-混凝土组合剪力墙，通过缀板拉结可有效避免墙身钢板的局部屈曲，同时可加强对内填混凝土的约束作用，大幅提高了高强混凝土的变形能力。

1 模拟构件概况

本文在双钢板内填混凝土组合剪力墙基础上，在墙体边缘增设方钢管，中部钢板之间用工字钢连接，两侧钢板之间采用加劲拉条进行拉结，形成一种新型的带拉条钢板—型钢约束混凝土组合剪力墙，其截面特征如图1所示。根据JGJ 138-2001《型钢混凝土组合结构技术规程》等规范中关于剪力墙各参数的设计标准，建立了以下一组带拉条钢板-型钢约束混凝土组合剪力墙构件。其截面具体尺寸是在文献[5]基础上，根据截面特征、参数设置以及考虑后期试验情况所确定[5](表1)。

图1 带拉条钢板-型钢约束混凝土组合剪力墙构件

2 带拉条钢板—型钢约束混凝土组合剪力墙有限元模型

2.1 材料本构模型

2.1.1 钢材本构模型

钢材作为比较理想的均质材料，其受压、受拉的力学性质基本一致，经常采用的钢材应力-应变模型包括理想的弹塑性模型、双线性模型、三折线模型以及全曲线模型[6]。本文所有钢材均采用Q235钢，屈服强度215 MPa,弹性模量2.06×105MPa，应力-应变关系曲线选取双折线模型(图2)。屈服准则遵守Von Mises屈服准则及相应流动法则。

表1 带拉条钢板-型钢约束混凝土组合剪力墙构件参数

2.1.2 混凝土本构模型

采用ABAQUS软件提供的混凝土塑性损伤模型，该模型将损伤指标[7]引入混凝土模型，对混凝土的弹性刚度矩阵加以折减，塑性流动法则为非关联流动法则。混凝土受压应力-应变关系所采用的混凝土受压应力-应变本构模型[8]。混凝土受拉应力-应变关系选取参考GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》附录C中推荐的模型，泊松比0.2，密度2 400 kg/m3，混凝土应力-应变关系曲线如图3所示。

图2 钢材应力-应变关系曲线

(a) 混凝土受压应力-应变关系曲线

(b) 混凝土受拉应力-应变关系曲线图3 混凝土应力-应变关系曲线

2.2 模型建立

该组合剪力墙有限元模型，混凝土、钢管、钢板及工字钢采用实体单元C3D8R，拉条采用TRUSS单元，单元类型为T3D2。钢与混凝土采用绑定约束，不考虑钢与混凝土之间的粘结滑移。墙体顶部设置一刚性加载梁，与下部墙体采用绑定约束，为避免因局部荷载过大可能导致的单元模型局部变形过大，采用参考点与加载面耦合的方法进行水平加载，墙底部约束为完全固定，无平动和转动位移[9]。荷载方面，首先将竖向轴压力折算为面荷载均匀施加在加载梁上表面，为了能够更好地模拟剪力墙构件力学曲线峰值点后的下降段，水平荷载采用位移加载的方式，模拟时逐步增大加载面的水平侧向位移。带拉条钢板-型钢约束混凝土组合剪力墙整体有限元模型如图4所示。

图4 带拉条钢板-型钢约束混凝土组合剪力墙整体有限元模型

3 有限元分析结果

对所有构件有限元模拟结果进行数据处理，得到各个构件加载点的荷载-位移曲线，将各构件屈服荷载和屈服位移、峰值荷载和峰值位移、极限荷载和极限位移等数据如表2所示。其中极限位移取荷载下降到85 %峰值荷载时所对应的位移值，延性系数定义为剪力墙极限位移与屈服点位移之比，即μ=Δd/Δy。

3.1 轴压比对构件性能的影响

保持其他因素不变，只改变试件轴压比，从0.2～0.5变化，得到该组合剪力墙在不同轴压比下的荷载-位移曲线(图5)。可以看出，轴压比的增大对墙体水平承载力有一定提高，但不是很明显，且增加幅度越来越小，轴压比越大荷载下降越明显，极限位移越减小。从而说明其延性越差，越容易发生脆性破坏，因此不宜采取增大轴压比的方式来提高该组合墙承载能力。

表2 试件墙顶水平荷载及水平位移特征值

图5 不同轴压比下试件荷载-位移曲线

3.2 剪跨比对构件性能的影响

保持其他因素不变，只改变试件剪跨比，得到试件在剪跨比为1.5和2.0情况下的荷载-位移曲线(图6)。可以看出，剪跨比是影响该组合剪力墙力学性能的重要参数，试件SCW2与试件SCW1相比，峰值荷载下降12.3 %，但其极限位移增大，说明其变形能力提高。并且在弹性阶段，剪跨比大的刚度明显降低。剪跨比不仅影响了构件荷载和位移的大小，而且荷载-位移曲线也发生一定变化。

图6 不同剪跨比下试件荷载-位移曲线

3.3 拉条对构件性能的影响

为了对比分析拉条对该剪力墙受力性能的影响，设计了一片不带拉条的剪力墙试件SCW6，得到带拉条与不带拉条试件荷载-位移对比曲线(图7)。可以看出拉条对构件的力学性能影响较大，试件SCW1比SCW6峰值荷载提高了10 %左右，弹性阶段构件的刚度明显增加，但构件变形能力和延性没有太大变化。从变形图可看出，试件SCW6构件边缘的鼓曲程度和范围明显比SCW1要小。这是由于当墙底部混凝土压碎后，两侧钢板受到混凝土向外的张力，发生鼓曲变形，拉条受拉，对两侧钢板起到拉结作用，一定程度约束了钢板的侧向鼓曲，承载力也有一定提高。