多腔钢板混凝土组合剪力墙压弯性能研究

2019-08-27

广西大学学报（自然科学版） 2019年3期

(1.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;2.江苏建筑职业技术学院，江苏徐州221116)

0 引言

近年来，我国大力发展绿色装配式建筑产业，剪力墙作为建筑结构中常用的抗侧力构件，拥有着较高的承载力和刚度，因此，对新型形式的剪力墙压弯受力性能进行研究具有重要的实用价值和指导意义。

随着越来越多的组合剪力墙形式被提出，学者们不断研究其力学性能和可行性。1973年，Takahashi等[1]通过有限元分析和对14片单层钢板剪力墙进行拟静力试验研究，验证了加劲钢板剪力墙具有良好的延性和抗震性能。1980年，王敏之[2]提到钢板剪力墙在Hyatt Regency Hotel 和Olive View Hospital两个实际工程中的应用，提出采用这种剪力墙形式有更好的经济性。1990年后，日本为了将钢板混凝土剪力墙开始用于工程安全领域，降低人工成本，进行了大量的研究和试验[3-4]。2002年， Emori[5]对钢箱混凝土墙的轴压和受剪性能进行了试验研究，研究发现，此种形式的剪力墙具有良好的轴压承载力和抗剪承载力。双层钢板混凝土剪力墙的承载能力远高于素混凝土剪力墙和纯钢板剪力墙之和，并且提出了理论计算公式和进行有限元模拟，得出了钢板宽厚比的最佳取值比例。2013年，李健等[6]对盐城广播电视塔双层钢板组合剪力墙结构进行了拟静力试验研究，分析了参数的变化对剪力墙抗震性能的影响，研究发现剪力墙的高宽比对其承载能力影响最为显著，剪力墙破坏时侧板边缘达到屈服，墙脚部混凝土被压碎，墙脚部的钢板出现鼓曲现象。2013年，李盛勇等[7]对11个缩尺的钢板混凝土剪力墙进行了拟静力试验，研究了其承载能力和变形能力，并提出了保守的承载能力计算方法。本文在前人的研究基础之上，提出了一种多腔钢板混凝土组合剪力墙结构体系，将两个完全一样的试件采用单调加载试验方式研究并和ABAQUS有限元模拟软件结果对比，验证ABAQUS有限元模拟软件模型的有效性，以此来分析不同参数对多腔钢板混凝土组合剪力墙压弯性能的影响，并得出相关结论。

1 试验概况

1.1 试件设计

本文提出的多腔钢板混凝土组合剪力墙结构体系由方钢管、U型钢板和直钢板焊接而成，剪力墙端部为方钢管，然后与U型钢板焊接，中间为直钢板，墙体内部通过浇筑混凝土构成结构关系。

两个多腔钢板混凝土组合剪力墙试件完全一样，墙高、宽、厚分别取1 600 mm、800 mm、80 mm。本试验多腔钢板混凝土剪力墙、钢筋混凝土组合加载梁、地基梁均采用C40混凝土和Q345钢材。多腔钢板混凝土剪力墙截面图如图1所示，所有钢材均采用焊接连接，以保证连接的可靠性, 焊缝高度依据《钢结构设计规范》[8]确定。

图1 剪力墙截面图Fig.1 Section diagram of shear wall

制作标准试件进行试验，取平均值作为材料性能结果，实测钢材屈服强度fy=417.4 MPa，抗拉强度fu=505.6 MPa，弹性模量E=2.07×105N/mm2。实测混凝土立方体抗压强度标准值fcuk=45.1 MPa。

图2 试验装置图Fig.2 Test device diagram

1.2 加载装置

水平伺服器加载点位于加载梁正中心距离基础梁上表面1 600 mm处，保证试件剪跨比为2。同时竖向施加荷载的千斤顶能随着试件水平位移的增加在水平滑道内滑动，保证多腔钢板混凝土剪力墙构件一直承受竖向均布荷载作用[9]。基础梁与地面之间通过六根地锚与刚性地面紧固连接。试验加载装置详见图2。

1.3 测点布置与试验加载

在多腔钢板混凝土剪力墙的加载梁和基础梁截面形心处各安装一个电子位移计，用以测量剪力墙墙体的顶点侧移和基础梁的滑移。

CSW01、CSW02轴压比分别为0.4和0.6。竖向荷载通过分配梁传递荷载至加载梁，水平荷载通过加载梁传递给剪力墙，试验加载装置如图3所示。加载过程中竖向荷载保持不变，水平荷载单调加载，采用力和位移混合控制加载制度。直到试件破坏无法继续加载或水平负载降至峰值负载的85 %时，停止加载[10]。

2 试验结果

多腔钢板混凝土剪力墙试件单调加载推覆过程可分为三个阶段：弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。弹性阶段：钢板与混凝土发生粘结破坏，钢板无鼓曲发生；塑性阶段：钢板发生鼓曲，在达到峰值荷载时，墙体受拉端基础梁混凝土出现裂纹；破坏阶段：受压侧钢管、钢板鼓曲严重，底部混凝土被压碎，受拉区混凝土出现多条裂纹。

根据数据采集终端绘制的两个多腔钢板混凝土剪力墙试验试件顶点水平荷载—位移曲线见图3。

(a) CSW01

(b) CSW02

图3 荷载—位移曲线
Fig.3 Load-displacement curve

3 有限元模型建立与分析

3.1 有限元模型建立

利用ABAQUS有限元软件建立多腔钢板混凝土剪力墙的数值模型，钢材本构采用简化的理想弹塑性模型[11]，屈服强度fy和弹性模量Es取材性试验结果，根据实际钢材材料力学试验简化得到该钢材本构曲线如图4所示，其具体表达式如下；

(1)

混凝土本构采用混凝土塑性损伤模型[12]，C40混凝土，混凝土密度2 400 kg/m3，泊松比取0.2。应力—应变关系如图5所示。

图4 钢材的应力—应变关系曲线
Fig.4 Stress-stain curve of steel

图5 混凝土应力—应变曲线
Fig.5 Stress-strain curve of concrete

表1 混凝土材料模型计算参数Tab.1 Calculating parameter of concrete material model

本文混凝土材料塑性损伤模型的参数如表1。注：ψ为膨胀角；ε为流动势偏移值；αf为双轴极限抗压强度与单轴极限抗拉强度之比；Kc为拉伸子午面与压缩子午面上第二应力不变量之比；μ表示黏性系数。

本文对多腔钢板混凝土剪力墙中混凝土、方钢管、钢板均采用八节点线性缩减积分单元(C3D8R单元)，便于分析钢板受压引起的鼓曲现象。多腔钢板混凝土剪力墙中U型钢板和直钢板、U型钢板和方钢管的连接均采用焊接连接，故采用TIE约束[13]来分析实际构建中焊接传力情况。方钢管、U型钢板和直钢板在之前装配(Assembly)中已采取merge操作来表示焊接关系。混凝土和钢板、混凝土和方钢管接触面之间的相互作用由两部分构成：一种是接触面间的法向作用，另一种是接触面之间的切向作用。法向作用采取“硬约束”模拟，切向作用采用库伦摩擦系数为0.6的 “罚”接触模拟实际构建中混凝土与钢材的面接触行为。剪力墙底部采取完全固结约束即令Ux=Uy=Uz=0，θx=θy=θz=0来约束沿着x、y、z的平动和转动，来模拟实际工程中剪力墙底部与基础的连接。为确定合理的网格尺寸，先采用较大的网格模拟求解，然后逐渐减小网格尺寸进行模拟求解，当相邻两次模拟求解结果相差在误差范围以内时，即可用模拟结果来表示准确结果。有限元模型见图6(a)、(b)。

(a) 正视图 (b) 斜视图

3.2 试验与模型对比

3.2.1 破坏形态

图7为ABAQUS有限元分析计算得出的多腔钢板混凝土组合剪力墙的等效塑性应变(PEEQ)云图。图8为多腔钢板混凝土组合剪力墙试验最终的破坏图。

图7 PEEQ云图Fig.7 PEEQ

图8 实际钢板屈曲图
Fig.8 Actual plate buckling

由图7，图8可以看出，多腔钢板混凝土组合剪力墙的主要破坏位置位于受压区底部角部，ABAQUS有限元模拟结果与实际试验所得现象基本一致，证明了有限元模型是正确性。

3.2.2 变形

对多腔钢板混凝土剪力墙进行单调加载，可以得到试件在竖向荷载和水平荷载共同作用下，墙体的变形主要是水平荷载方向上位于墙体平面内的顶点水平位移，有限元水平位移云图与实际墙体变形图对比见图9。观察可知，试验和有限元模拟结果中多腔钢板混凝土剪力墙均没有明显的平面外位移，这也证明在ABAQUS有限元建模过程中所选用的边界条件等参数设置的准确性。

3.2.3 荷载—位移曲线

荷载—位移曲线是结构或构件在单调水平荷载作用下，结构的顶点位移与水平荷载的变化关系曲线，能宏观反应结构的承载能力、变形能力等性能指标。试验所得P-Δ曲线可以用采集仪采集得到，ABAQUS有限元模拟的P-Δ曲线可以在软件建模分析后，从计算结果直接导出。

由图10可以看出，ABAQUS有限元模拟分析所得结果与试验所得结果相差无几，变化规律一致。两者的对比结果证明：可以采用ABAQUS模拟的方法来研究多腔钢板混凝土剪力墙在不同参数影响下的压弯性能。

(a) CSW01试验与有限元模拟P-Δ曲线对比图

(b) CSW02试验与有限元模拟P-Δ曲线对比图

图10 试验与有限元模拟分析结果对比
Fig.10 Comparison of test and simulation analysis

3.2.4 承载能力对比分析

多腔钢板混凝土剪力墙试件由试验所得承载力和ABAQUS有限元模拟分析所得结果对比分析如表2。分析表2数据可知，试验值与有限元模拟分析结果之比的平均值为0.966，在误差允许范围之内，有限元模拟分析结果可以用于工程实际应用。

表2 承载力模拟值与实验值对比Tab.2 Comparison of test and simulation analysis

3.3 误差分析

①材料应力—应变关系的选择是有限元分析的基础，由于各种条件的限制，本文未对钢材、混凝土等材料的本构关系作详细的研究，仅对钢板进行了材料力学力学拉伸试验对混凝土进行了标准立方体试块抗压强度试验，确定绘制的本构关系曲线具有不准确性。

②多腔钢板混凝土剪力墙的钢板、方钢管与混凝土之间的接触采用绑定约束，但在试验试件工作过程中，钢板、方钢管和混凝土之间可能存在部分粘结滑移[14]，导致计算结果与试验结果存在差异。

③在有限元建模过程中，我们采用了理想的情况，但在试验实际模型中，制作加工缺陷，试验仪器系统存在误差，所以有限元模拟结果与试验结果有差异是正常现象，不可避免。

4 影响多腔钢板混凝土剪力墙压弯性能参数分析

从结构受力来看，多腔钢板混凝土组合剪力墙同矩形钢管混凝土柱相似，而墙中U型钢板的存在，起到了隔板的作用，很好的约束了其周围的混凝土[15]，提高了构件的承载力等性能指标。为了得到多腔钢板混凝土剪力墙的最佳性能，考虑轴压比、混凝土强度、钢板厚度、钢材强度和剪跨比五个参数对构件压弯性能的影响，采用控制变量法进行有限元参数分析。

4.1 轴压比

轴压比是影响多腔钢板混凝土剪力墙承载能力及变形性能的主要指标之一。本文对剪跨比为2，墙高1 600 mm，宽度800 mm，厚度80 mm的多腔钢板混凝土剪力墙进行了轴压比为0.1、0.3、0.4、0.6下的单调位移加载有限元分析，得到不同轴压比下的荷载—位移曲线。

由图11不同轴压比下的荷载—位移曲线可知：在其余参数不变的情况下，随着轴压比的提高，多腔钢板混凝土剪力墙的屈服承载力和极限承载力均有所增强，但同时其变形能力会有所降低。因此为保证多腔钢板混凝土剪力墙试件的变形能力，实际工程应用中轴压比不超过规范《建筑抗震规范》GB50011—2010[16]建议的0.6的限值。

4.2 混凝土强度

混凝土强度是影响多腔钢板混凝土剪力墙的因素之一。为了研究混凝土强度等级对其承载能力、变形性能等受力性能的影响，采用剪跨比λ为2，墙体高度1 600 mm、墙体宽度800 mm、墙体厚度为80 mm的多腔钢板混凝土剪力墙，对其在混凝凝土强度等级C30、C40、C50、C60下的受力性能进行单调位移加载有限元模拟分析，得到其荷载—位移曲线如图12所示。

图11 不同轴压比下的荷载—位移曲线
Fig.11P-Δwith different axial compression ratio

图12 不同混凝土强度等级下的荷载—位移曲线
Fig.12P-Δwith different concrete strength grade

从图12可以看出，在其余参数相同的情况下，多腔钢板混凝土剪力墙的承载能力随着混凝土强度等级的提高而增大，但是其变形能力受混凝土强度等级影响较小，随着混凝土强度等级的提升略微下降。

4.3 钢板厚度

在多腔钢板混凝土剪力墙结构中，钢板厚度是影响其主要性能的指标之一。为了研究多腔钢板混凝土剪力墙中钢板厚度对其受力性能的影响，采用ABAQUS有限元软件建立剪跨比λ为2、墙高1 600 mm、宽800 mm、厚度80 mm的钢板厚度分别为3 mm、4 mm、5 mm、6 mm的有限元模型，进行单调位移加载分析，得出其在不同钢板厚度下的荷载—位移曲线。

由图13观察得出，在其余参数相同的情况下，随着钢板厚度的增加，多腔钢板混凝土剪力墙的承载能力、变形能力均有大幅度提升。

4.4 钢材强度

钢材强度与钢板厚度一样，都是影响多腔钢板混凝土剪力墙受力性能的主要因素之一。为了研究钢材强度对多腔钢板混凝土剪力墙的影响，采用钢板厚度为3 mm，剪跨比为2，墙体高1 600 mm、宽800 mm、厚80 mm的多腔钢板混凝土剪力墙模型，仅仅改变钢材强度，对模型进行ABAQUS有限元分析，绘制不同钢材强度下的荷载—位移曲线。

观察图14可知：在其余参数相同的情况下，随着钢材屈服强度的提升，多腔钢板混凝土剪力墙的承载能力、变形能力均有所提高，但是提高幅度不如增加钢板厚度效果显著。