两侧加强的钢管束混凝土组合剪力墙压弯性能模拟分析

刘克忠,于明武,周新刚,刘昕旭,宋振宇

(1.烟台大学土木工程学院, 山东 烟台 264005 ；2.烟台建筑设计研究股份有限公司 ，山东 烟台 264003)

钢管束混凝土组合剪力墙(STW)是一种新型剪力墙,它由一个矩形钢管和多个U形钢管并排焊接在一起形成整体钢管束,内部浇注混凝土形成墙体,在装配式住宅应用中具有优势[1-3]．

钢管束混凝土组合剪力墙具有较高的承载能力和良好的变形能力．陈志华等[4]分析了钢管束组合剪力墙强度和刚度的影响因素．张晓萌[5]对钢管束墙体钢板厚度,截面形状,栓钉配置等方面进行了试验研究．苗志华等[6]分析了剪跨比和单束尺寸对钢管束混凝土组合剪力墙极限承载能力和延性性能的影响．研究发现,钢管束混凝土组合剪力墙在拟静力加载时发生弯剪破坏,在试验的破坏阶段,外包钢板的两侧底部首先出现局部屈曲破坏(图1),随着水平位移的增大,钢管束内部混凝土被压碎,构件整体失去承载能力．

图1 剪力墙两侧钢板屈曲破坏

Fig.1 Shear wall buckling failure on both sides of steel plate

针对该剪力墙局部屈曲的破坏模式,张鹏等[7]采用底部加强的方式来改善剪力墙的受力性能,此方法能明显提高钢管束混凝土组合剪力墙的极限承载能力,但其施工工艺复杂,外包钢板与墙体钢板之间连接不易保证．对比双钢板高强混凝土组合剪力墙通过设置暗柱(图2(a))的方法来提高其抗震性能,本文提出一种两侧加强(图2(b))的改进技术．通过增加墙体两侧钢管束的壁厚,减小中间钢管束的壁厚,可以使钢管束底部屈曲位置向内侧移动,上部墙体的材料性能得到充分发挥,底部侧端的破坏程度明显降低,提升了墙体的极限承载能力和变形能力,改善其整体受力性能．

图2 剪力墙端部加强方式对比

钢管束混凝土组合剪力墙性能影响参数与双钢板组合剪力墙影响参数相近,包括轴压比、剪跨比、钢板厚度、高厚比、混凝土强度等[8-12]．国内外学者对双钢板剪力墙的影响参数进行了相关的研究．研究表明,轴压比和剪跨比是影响剪力墙抗震性能的关键因素[13-16]．

本文利用通用有限元分析软件Abaqus建立13个钢管束混凝土组合剪力墙模型,模拟分析在拟静力荷载作用下两侧加强的钢管束混凝土组合剪力墙不同轴压比、剪跨比和加强区宽度的承载能力、延性等压弯性能指标．

1 两侧加强的钢管束混凝土组合剪力墙有限元分析模型

1.1 有限元模拟与试验结果对比

利用本课题组完成的钢管束组合剪力墙拟静力加载试验数据与现有的有限元模型分析结果对比,验证有限元分析模型参数设置[17]的准确性．有限元软件计算结果与试验加载结果对比曲线如图3,可以看出,在极限承载力方面2种结果相近,但模拟结果的初始刚度相比试验结果稍大．由此得出结论,该有限元模型的极限承载力模拟结果准确可靠,位移的模拟误差在允许范围之内,因此可以使用该有限元模型对不同参数的钢管束组合剪力墙进行下一步的模拟计算分析．

图3 基准试件曲线对比

1.2 剪力墙建模参数

建立13个钢管束组合剪力墙有限元模型,其中基准模型的高度为1 500 mm,构件截面尺寸为140 mm×1 000 mm,模型参数如图4．钢管束混凝土组合剪力墙基准试件(STW)采用3 mm厚钢板,加强区采用4 mm、5 mm厚钢板,墙体内部采用强度等级为C35的混凝土．模型几何参数如表1.

图4 剪力墙模型几何参数

表1 有限元建模参数

2 有限元计算结果分析

图5为Abaqus有限元软件计算应力云图,可以看出,试件STW在低周反复荷载作用下发生破坏时,破坏位置集中在墙体的角部且屈曲严重,而上部墙体钢板与混凝土贴合紧密,没有出现鼓屈现象．未加强的剪力墙上部墙体材料未得到充分利用,角部屈曲破坏最终导致剪力墙整体失去承载能力．

图5 模型计算结果

从图5可以看出,两侧加强的钢管束组合剪力墙试件底部屈曲范围更加均匀,屈曲位置向内侧移动且屈曲程度减轻．在恒定轴压力与水平推力作用下,试件STW4角部钢管束不再发生鼓屈破坏,屈曲范围向墙体内侧扩展,墙体的材料性能得以充分发挥,提高了墙体的材料利用率．当剪力墙两侧钢板厚度由3 mm改为5 mm后,其极限承载能力提高幅度达22.56%,且试件的骨架曲线下降段平缓,延性性能表现更优,墙体的综合性能得到进一步提高．由此可见,两侧加强的钢管束混凝土组合剪力墙具有更优越的压弯性能．下面以有限元模型为基础分析轴压比、剪跨比、加强区宽度等参数对该种剪力墙压弯性能的影响．

2.1 轴压比的影响

图6可以看出,当轴压比在0.1～0.4范围内时,随着轴压比的增大,两侧加强的钢管束混凝土组合剪力墙的极限承载力略微提升,当轴压比为0.4时水平承载力达到最大值．随着水平位移的增大,试件的骨架曲线到达峰值荷载之后开始缓慢下降,其中轴压比为0.4时下降最为缓慢,此时两侧加强的钢管束混凝土组合剪力墙具有良好的延性性能．

图6 不同轴压比剪力墙骨架曲线

Fig.6 Shear wall skeleton curves with different axial compression ratios

2.2 剪跨比的影响

图7和图8可以看出,当剪跨比由1.8减小到1.0时,两侧加强的钢管束组合剪力墙在反复荷载作用下弹性刚度和峰值荷载明显提高;随着剪跨比的降低,墙体的剪切变形比例增加,抗剪承载能力提升,峰值荷载分别增大了11.27%、37.8%、60.25%．从骨架曲线下降段可以看出,随着剪跨比的增大,试件的骨架曲线下降段更为平缓,当剪跨比为1.8时,剪力墙的延性性能最好．

图7 不同剪跨比剪力墙骨架曲线

Fig.7 Shear wall skeleton curves with different shear-span ratios

图8 不同剪跨比剪力墙极限承载力对比

Fig.8 Comparison of ultimate bearing capacity of shear walls with different shear-span ratios

2.3 不同用钢量加强区宽度的影响

图9可以看出,两侧加强的钢管束组合剪力墙的弹性阶段刚度及水平峰值荷载随着加强区宽度的增加缓慢提高．当加强区宽度由400 mm增加到800 mm、1 000 mm时,钢管束混凝土组合剪力墙的峰值荷载分别增大了2.07%、3.05%,随着墙体含钢率上升,钢管束对内部混凝土的约束能力增强,混凝土的材料性能得到充分发挥,极限承载力缓慢提升．峰值荷载过后,骨架曲线出现缓慢下降段,各曲线下降段斜率相近,表明含钢量增加对钢管束混凝土组合剪力墙的延性性能影响不大．

2.4 相同用钢量加强区宽度的影响

在控制用钢量相同的情况下改变加强区宽度,来研究不同加强区宽度对钢管束混凝土组合剪力墙压弯性能的影响．由图10可知,在相同含钢量的情况下,两侧加强的钢管束混凝土组合剪力墙随着加强区宽度减小,弹性阶段刚度变化不大,但水平峰值荷载明显提高;当剪力墙加强区宽度由1 000 mm降低到800 mm、400 mm时,峰值荷载分别增大了3.33%、13.03%,模型STW3-1-1的承载能力提高最为明显,即当加强区处于剪力墙墙身最外侧时,剪力墙的极限承载能力最高,延性性能较好．在相同用钢量的情况下,通过对最外侧钢管束钢板加厚,针对钢管束混凝土组合剪力墙的屈曲位置,可以最有效地抵抗钢板屈曲,从而获得更高的承载力．

图9 不同加强区宽度剪力墙骨架曲线

Fig.9 Shear wall skeleton curves with different reinforcement zones

图10 等用钢量不同加强区宽度剪力墙骨架曲线

Fig.10 Shear wall skeleton curves with the same amount of steel but different reinforcement zone width

3 两侧加强的钢管束混凝土组合剪力墙试验验证

将有限元模型STW1、STW3-2、STW4的模拟计算结果与本课题组试验结果进行对比,进一步验证带加强区的钢管束组合剪力墙模拟结果的准确性,对比结果如图11．

图11 带加强区的试件曲线对比

Fig.11 Test specimens with reinforced zone correlation curve chart

从图11可以看出,3个试件的试验曲线与模拟曲线在承载力结果方面吻合较好,在反复荷载作用下骨架曲线的破坏趋势相近．在骨架曲线的上升阶段,有限元模拟曲线斜率较大,模拟结果的弹性刚度较高,原因是在有限元建模过程中没有考虑材料的初始缺陷．材料初始缺陷主要包括混凝土的粗细骨料分布不均、浇筑过程中不能保证混凝土完全密实、外包钢板与混凝土之间存在粘结空隙等,这些缺陷都会影响墙体前期加载过程的承载力及刚度．总体来看,此模型的承载力模拟结果准确可靠,初始刚度误差在允许范围内,因此可以利用该模型对两侧加强的钢管束组合剪力墙进行进一步的模拟计算分析．

表2 承载力对比

4 结 论

本文利用有限元软件Abaqus对两侧加强的钢管束混凝土组合剪力墙进行模拟分析,分析了轴压比、剪跨比、加强区宽度对该种剪力墙压弯性能的影响,得到以下结论:

(1)有限元分析表明,钢管束混凝土组合剪力墙具有较高的承载力和良好的变形能力．在破坏阶段,钢管束底部侧端应力较大,容易首先屈曲破坏,因此需对钢管束底部侧端采取加强措施．

(2)两侧加强的钢管束组合剪力墙具有更高的极限承载能力和变形能力,通过合理配置钢板壁厚,可以提高墙体的材料利用率．

(3)有限元模拟的压弯性能参数分析表明:轴压比增大使剪力墙的承载力略微提升,当轴压比为0.4时,剪力墙的承载力及延性较好．随着剪跨比的降低,剪力墙的初始抗侧刚度增大,承载力提高,但变形能力下降．在相同用钢量的情况下,当加强区处于剪力墙墙身最外侧时,剪力墙的极限承载力最高,延性性能较好,加强效果最佳．