带竖缝钢管束砼组合剪力墙受力性能模拟分析

宋振宇,周新刚,张忠杰,邹天豪

(烟台大学土木工程学院,山东 烟台 264005)

钢-混凝土组合剪力墙是高层和超高层建筑中重要的抗侧力构件,对结构的抗震安全性有重要作用．目前工程上应用较多的钢-混凝土组合剪力墙一般为钢板剪力墙．近几年随着钢结构和装配式住宅的迅速发展,在钢板剪力墙的基础上,逐渐发展出一种新型钢-混凝土组合剪力墙——钢管束砼组合剪力墙[1-2]或称多腔钢管-混凝土组合剪力墙．大量的研究表明,钢管束砼组合剪力墙与普通钢板剪力墙相比具有承载力高、抗侧刚度大,延性性能好、稳定性高、施工方便等特点．但是对于宽度较大(墙肢长度与厚度比较大)、剪跨比较小的钢管束砼组合剪力墙,仍存在剪切效应较为明显、延性和耗能能力需要改善等问题[3-9]．为克服整片钢管束砼组合剪力墙由于剪切效应明显而导致的延性差、耗能能力低的问题．本文提出一种新型的开缝耗能组合剪力墙——带竖缝的钢管束砼组合剪力墙,如图1所示．

“带缝剪力墙”概念是由日本武藤清[10]首先提出来的．为改善墙体的延性,钢筋混凝土剪力墙可沿竖向预留出一条或若干条竖缝将剪力墙分割成多个墙肢．带缝剪力墙,可以改善墙体的延性,也可以调节墙体的抗侧刚度,从而改善和提高墙体的抗震性能．在钢筋混凝土带缝剪力墙概念的基础上,日本学者HITAKA等[11]又提出了开缝钢板剪力墙(Steel Plate Shear Wall,SPSW)．通过在钢板上切割一系列竖缝,将整块钢板转变成为若干缝间板条,将整块钢板剪切破坏转变成缝间板条的弯曲破坏,增加墙体的变形能力和耗能能力．赵作周等[12]通过12片开缝钢板剪力墙试件的往复加载试验发现,不同的墙板开缝层数会发生不同的破坏形态．开双层缝的钢板剪力墙的受力性能优于开单层的．袁朝凤等[13]利用Adina有限元软件,模拟分析3种不同开缝形式的钢板剪力墙模型．通过对其施加低周往复荷载,对比分析其抗震性能,提出了较佳的开缝形式．本文在已有的研究基础上,利用Abaqus有限元分析软件,对11片具有不同参数的带竖缝钢管束砼组合剪力墙进行数值模拟分析,模拟分析其在水平低周反复荷载作用下的性能,研究不同竖缝高度he、竖缝数量n和竖缝形式s等参数,对钢管束砼组合剪力墙受力性能的影响,为试验研究提供理论依据和支撑．

Fig.1 Steel tube bundle-concrete composite shear wall with slits

1 Abaqus有限元模型

1.1 模拟试件及其参数

利用Abaqus有限元分析软件,分别构建5组11片具有不同竖缝参数的钢管束砼组合剪力墙分析试件,试件信息见表1．11片试件包含1片不带竖缝的钢管束砼组合剪力墙STW1,3片带单排单缝SSTW2,3片带单排双缝SSTW3,2片带双排单缝SSTW4,2片带双排双缝SSTW5,详见图2．每片剪力墙的钢管束均由方钢管、U型钢管和带竖缝的U型钢管组成．单根钢管的截面尺寸为 110 mm×200 mm,墙体总尺寸为H(高度)×B(宽度)×t(厚度)=1 000 mm×1 000 mm×110 mm,钢板厚度全部为3 mm,墙体剪跨比为1.0,名义高宽比为he/b,详见图3．混凝土强度等级为C35,弹性模量取3.15×104N/mm2,泊松比取0.2．钢材采用Q345B钢,弹性模量取2.06×105MPa,泊松比取0.3,钢板的屈服强度fy=407 MPa,极限强度fu=590 MPa．

1.2 模拟分析及校核

在有限元数值模拟分析中,划分网格时使用结构优化网格技术划分每个部件的网格,钢管束和混凝土的单元类型全部采用C3D8R单元．边界条件为:下端固定,上端自由．为使有限元模拟条件和实际条件一致,模型分析中考虑钢管束与混凝土之间的接触,利用罚函数定义其切向接触,模拟两者之间的粘结作用,摩擦系数取0.25,法向接触则模拟为“硬”接触[14]．钢材的本构采用双线性随动强化模型,其强化段的斜率取弹性模量的0.5%．混凝土的本构关系选用混凝土损伤模型(Concrete damaged plasticity),混凝土应力-应变关系采用规范[15]中提及的方法计算．模拟加载过程中,轴压力保持不变．

Fig.3 Size parameters of steel tube bundle-concrete composite shear wall with slits

表1 模型尺寸参数

注:NS表示不带缝,SSS表示带单排单缝,SDS表示带单排双缝,DSS表示带双排单缝,DDS表示带双排双缝．

Fig.4 Comparison of failure modes between Abaqus finite ele-ment simulation and experiment

Fig.5 Comparison of skeleton curve between Abaqus finite ele-ment simulation and experiment

为校核有限元模拟分析的可靠性,用文献[16]中钢管束砼组合剪力墙试件SSW1 试验结果与有限元模拟分析结果对比(图4、图5)．通过对比分析可见,试件SSW1加载完成后的破坏形态与有限元模拟最终的破坏形态相同,钢管束均在底部连续鼓屈,角部钢板撕裂、混凝土压碎．试验和有限元模拟分析得到的骨架曲线吻合也较好．说明本节所述的Abaqus建模方法研究带竖缝钢管束砼组合剪力墙的受力性能是可行的．

2 模拟计算结果及分析

本文利用Abaqus有限元分析软件,对5组11片具有不同竖缝参数的钢管束砼组合剪力墙进行数值模拟分析．研究带竖缝钢管束砼组合剪力墙受力性能及不同竖缝高度he、竖缝数量n和竖缝形式s对其受力性能的影响．通过处理模拟数据可以得到各模型的初始刚度、屈服荷载Py、屈服位移Δy、峰值荷载Pmax、峰值位移Δmax、延性系数等,详见表2．

2.1 带竖缝钢管束砼组合剪力墙受力过程分析

从带竖缝钢管束砼组合剪力墙的骨架曲线可以看出,其受力过程主要分为3个阶段:弹性受力阶段(从开始加载水平荷载到构件根部出现屈服现象),屈服阶段(从构件开始屈服到出现峰值荷载),破坏阶段(从峰值荷载到承载力降低到峰值荷载的85%)．以模型SSTW2-2为例(图6),其各阶段的主要特点是:

表2 模拟数据汇总

(1)a点—b点为弹性工作阶段,图7(a)为b点的Mises应力云图．此时钢板和混凝土应力都很小,处于弹性受力阶段,荷载-位移曲线呈线性关系．钢板未出现鼓屈现象,钢板与混凝土之间的粘结还较好,两者协同工作,共同受力．

(2)b点—c点为屈服阶段,图7(b)为c点的Mises应力云图．超过屈服荷载之后,荷载-位移曲线出现明显的转折．随着水平位移的不断增大,竖缝端部首先出现应力集中现象,随后剪力墙角部应力逐渐增大并且钢管束开始鼓屈,鼓屈位置主要集中在竖缝端部和边束的角部．此时部分钢板与混凝土接触面开始分离,混凝土发生塑性损伤．

(3)c点—d点为破坏阶段,图7(c)为d点的Mises应力云图．带竖缝钢管束砼组合剪力墙达到极限承载力之后,随着水平位移的增加,荷载开始下降,但下降段平缓．钢管束的屈服区域主要集中在竖缝的端部和边束的角部．墙体底部钢板鼓屈严重,角部钢板撕裂．

2.2 不带竖缝墙与带竖缝墙受力性能对比

2.2.1 破坏模式对比 不带竖缝钢管束砼组合剪力墙STW1破坏阶段应力云图如图8所示,与带竖缝钢管束砼组合剪力墙破坏阶段应力云图(图7)相比可见:不带竖缝的剪力墙应力主要集中在墙体的中部与角部,剪切效应明显．带竖缝的剪力墙应力主要集中在竖缝的端部与墙体的角部,破坏模式以受弯破坏为主．

2.2.2 滞回曲线与骨架曲线对比 通过对比不带竖缝与带单排单缝钢管束砼组合剪力墙的滞回曲线和骨架曲线(图9、10)可以看出:设置竖缝后,虽然钢管束砼组合剪力墙承载力和初始刚度降低,但带竖缝的剪力墙滞回曲线更加饱满,到达峰值荷载后,骨架曲线下降段平缓．说明带竖缝钢管束砼组合剪力墙具有更好的延性和耗能能力．

2.2.3 承载力及初始刚度对比 由表2可见,设置竖缝后,钢管束砼组合剪力墙的承载力和初始刚度均降低．其中带单排双缝、竖缝高度he=900 mm的钢管束砼组合剪力墙SSTW3-3降低幅度最大,承载力和初始刚度分别降低了31.68%和44.61%．带双排单缝、竖缝高度he=700 mm的钢管束砼组合剪力墙SSTW4-2降低幅度最小,承载力和初始刚度分别降低了8.28%和5.72%．

2.2.4 延性性能对比 由表2可见,各带竖缝钢管束砼组合剪力墙的位移延性系数在4.71～5.80之间,位移延性系数均大于不带缝钢管束砼组合剪力墙．表明带竖缝钢管束砼组合剪力墙具有更好的延性,试件屈服后具有更好的变形能力．其中带单排单缝、竖缝高度he=500 mm的钢管束砼组合剪力墙SSTW2-1延性性能提升幅度最小,延性系数仅增加了20.77%．带双排双缝、竖缝高度he=700 mm的钢管束砼组合剪力墙SSTW5-2延性性能提升幅度最大,延性系数增加了48.72%．

Fig.9 Comparison of hysteretic curves of non-slit shear walls and shear walls with single row-single slit

2.3 不同竖缝参数对剪力墙受力性能的影响

通过对比分析不带竖缝剪力墙与带竖缝剪力墙的受力性能可见,竖缝参数不同,对钢管束砼组合剪力墙的受力性能影响很大．因此,本节对比分析了不同竖缝高度he、竖缝数量n和竖缝形式s对其受力性能的影响．

2.3.1 竖缝高度he的影响 图11为在相同竖缝数量和竖缝形式下,不同竖缝高度的钢管束砼组合剪力墙骨架曲线对比,可见:

Fig.10 Comparison of skeleton curves of non-slit shear walls and shear walls with single row-single slit

(1)在相同的竖缝数量和竖缝形式的情况下,4组数据随竖缝高度he变化规律一致,承载力和初始刚度均随he增大而减小,但延性系数随he增大而增大．

(2)与不带竖缝剪力墙STW1相比,当n=2,s=SDS时,模型SSTW3-1和模型SSTW3-2随着竖缝高度的增加,承载力和初始刚度降低幅度为12.34%、19.21%和19.62%、37.25%．当n=2,s=DDS时,模型SSTW5-1和模型SSTW5-2随着竖缝高度的变化,承载力和初始刚度下降幅度为10.51%、13.33%和8.19%、18.44%．

由此可见,带多排竖缝的钢管束砼组合剪力墙与带单排竖缝的相比,随着竖缝高度he的增加,在保持延性性能提高的前提下,承载力和初始刚度降低幅度较小．

图11不同竖缝高度的骨架曲线对比

Fig.11 Comparison of skeleton curves with different heights of slits

2.3.2 竖缝数量n的影响 图12为在相同竖缝高度和竖缝形式下,不同竖缝数量的钢管束砼组合剪力墙骨架曲线对比,可见:

(1)在相同的竖缝高度和竖缝形式的情况下,5组数据随竖缝数量n变化规律基本一致,承载力和初始刚度均随n增大而减小,但延性系数随n增大而增大．

(2)与不带竖缝剪力墙STW1相比,当设置单排竖缝,he=700 mm时,模型SSTW2-2和模型SSTW3-2随着竖缝数量的增加,承载力和初始刚度下降幅度为13.38%、19.21%和19.59%、37.25%,延性提升幅度为25.13%、26.41%．当设置多排竖缝,he=700 mm时,模型SSTW4-2和模型SSTW5-2随着竖缝数量的增加,承载力和初始刚度下降幅度为11.56%、13.33%和11.63%、18.44%,延性提升幅度为27.95%、48.72%．由此可见,带单排竖缝的钢管束砼组合剪力墙随竖缝数量的增加,承载力和初始刚度降低幅度很大,但延性提高幅度很小．带多排竖缝的钢管束砼组合剪力墙随着竖缝数量的增加,延性提高幅度很大,承载力和初始刚度下降幅度也较小．

2.3.3 竖缝形式s的影响 图13为在相同竖缝高度和竖缝数量下,不同竖缝形式的钢管束砼组合剪力墙骨架曲线对比,可见:

(1)在相同的竖缝高度和竖缝数量的情况下,4组数据随竖缝形式s变化规律基本一致,竖缝形式由单排竖缝变为多排竖缝,承载力和初始刚度增大,延性性能也提高．

(2)当竖缝高度he越大,竖缝数量n越多,设置多排竖缝的作用就越明显．

3 结 论

本文利用Abaqus有限元分析软件,对11片具有不同参数的带竖缝钢管束砼组合剪力墙进行数值模拟分析,研究了带竖缝钢管束砼组合剪力墙的受力性能,以及不同竖缝高度he、竖缝数量n和竖缝形式s对其受力性能的影响．得出以下主要结论:

(1)带竖缝的钢管束砼组合剪力墙表现出良好的受力性能．与普通钢管束砼组合剪力墙相比,带竖缝的剪力墙具有更好的延性和耗能能力．

(2)随着竖缝高度和竖缝数量的增加,带竖缝钢管束砼组合剪力墙的延性和耗能能力明显提升,但承载力和初始刚度有所降低．

(3)设置竖缝会使钢管束砼组合剪力墙承载力和初始刚度降低,但是改变竖缝形式可以有效地改善这一弊端,带多排竖缝的钢管束砼组合剪力墙,延性和耗能能力更佳,承载力和刚度降低幅度也较小．

本文只通过有限元分析软件对带竖缝钢管束砼组合剪力墙的受力性能进行了初步探讨,今后有必要拓展该类构件的抗震性能试验,进一步论证不同竖缝高度he、竖缝数量n和竖缝形式s对其受力性能的影响,给出最优的开缝参数,为工程实践提供依据．