外肋板节点式钢板剪力墙结构有限元分析

刘义航 万馨 刘一

关键词：外肋板节点;钢板剪力墙;抗震性能;有限元分析

随着我国建筑结构技术的不断成熟，剪力墙结构作为一种良好的抗震结构体系开始被不断研究并应用于各种大型高层建筑。聂建国等对双钢板一混凝土组合剪力墙结构进行一系列试验及有限元研究，结果表明，此种剪力墙结构抗震性能优良，并对此提出了相应的设计建议。伍云天等剪力墙体系进行了一系列研究，并提出了以耦连比为基本参数，通过形成连梁和墙肢的双重防线来耗散能量的联肢剪力墙结构体系的抗震设计方法，为了能将钢板混凝土组合剪力墙与钢连梁有效连接，充分发挥两者的抗震性能，节点形式尤为重要。万馨、相景森等提出一种新型的墙梁节点形式，即通过外肋板将双钢板组合剪力墙与钢梁焊接，此种节点构造相對简单，可以直接将剪力墙和钢梁进行连接，并且此种节点形式抗震性能优良，可有效应用于剪力墙结构中。

本文在外肋板式节点形式的基础上，研究基于外肋板节点的双肢组合钢板混凝土剪力墙结构的受力性能，分析剪力墙结构在低周往复荷载下的抗震性能，可以进一步推广剪力墙结构，有利于提高剪力墙结构在高层建筑中的应用。

1有限元模型的建立

1.1有限元模型及参数设计

试件模型高3.0m，由两面剪力墙中间通过钢连梁连接组成，分别往剪力墙内部浇筑等级为C30的混凝土，钢材采用Q235钢材，剪力墙和外伸梁通过外肋板连接，外伸梁与钢连梁上下翼缘都是通过焊接进行连接，腹板的连接方式选择为螺栓连接，螺栓选用的为10.9级M20高强螺栓。

结构通过改变剪力墙轴压比、墙肢钢板厚度来研究各参数对试件抗震性能的影响，其中钢连梁截面尺寸均为175x244x8x12（mm），外伸梁截面尺寸均为200x244x8x12（mm），外肋板和拼接板厚度均为12mm。各模型参数均基于BASE模型进行改变，参数变化见表1。

1.2材料本构模型

本文钢材采用简化的双折线模型进行有限元分析，其中Q235钢材f=269MPaf=387MPa，对应的屈服应变及极限应变分别取0.02和O.2泊松比取0.3，E=2.06x105MPa，钢材在屈服之前可以采用Von-Mises准则，选择随动硬化模型。螺栓钢材f=1005.6MPaf=1117.5MPa，E=2.11x105MPa。

混凝土采用ABAQUS软件中的损伤塑性模型，其可以用于混凝土在各种荷载组合下的受力分析，具有良好的收敛性。弹性模量E=3.25x104MPa，泊松比取0.2，膨胀角取30。，偏心率取0.1，初始等效双轴抗压屈服应力与初始单轴抗压屈服应力比值为1.16，控制平面上曲线形状参数K=0.66667，黏性系数取0.0005。

2有限元模型计算结果及结构抗震性能分析

2.1 BASE模型破坏分析

在剪力墙顶端加载初期，各构件均无明显变化。当剪力墙位移荷载加到屈服荷载△时，钢连梁翼缘发生轻微屈曲，连梁作为第一道防线，首先屈服。随着荷载的增大，钢连梁弯曲变形逐渐加大，剪力墙底部应力也逐渐增大，剪力墙底部出现塑性铰。当位移荷载增加到5△，左右时，结构达到其峰值荷载，剪力墙钢板出现鼓曲。剪力墙顶端位移荷载继续增大，在结构最终达到极限承载力时，剪力墙底部钢板严重鼓曲，结构发生严重破坏，加载结束，如图1。

2.2轴压比对结构抗震性能的影响

2.2.1滞回曲线和骨架曲线分析

由图2可以看出，试件的滞回曲线均呈现比较饱满的形态，并且轴压比越大的试件，其滞回曲线相对更加饱满一些。随着水平位移荷载及循环次数的不断变大，试件逐渐开始屈服，试件屈服后每级荷载下的滞回环开始越来越饱满。在试件加载后期，试件承载力变化速率比较缓慢，结构表现出较好的后期变形能力。

2.2.2延性分析

由表2可以看出，试件延性性能较好。轴压比大的试件的延性会有一定程度的下降，其中轴压比由0.2增加至0.5时，延性系数从7.35下降到6.36，降低了13.5%。

2.2.3耗能分析

根据表3可知，各模型试件E值都大于2，he值都大于0.3，这表明各试件均具有相当不错的耗能能力。随着轴压比的变大试件的耗能能力变强。

2.3墙肢钢板厚度对结构抗震性能的影响

2.3.1滞回曲线分析

通过图3中可以发现，钢板厚度小的试件的滞回曲线有轻微的捏缩，在加载初期，试件的滞回曲线无明显区别，滞回环的面积都很小。但当位移不断增大后，钢板厚度大的试件的滞回环的面积明显大于钢板厚度小的试件，其滞回环更为饱满。

2.3.2延性分析

由表4可以看出，随着钢板厚度的增加，试件的肛值会降低，钢板厚度由6mm增加到8mm，下降了11.9%，钢板厚度由8mm增加到lOmm，下降了1.1%，钢板厚度由10mm增加到12mm，下降了27.3%，下降幅度非常大。

2.3.3耗能分析

根据表5可以发现，当钢板厚度由6mm提升到12mm后，其he值增加了13.4%，说明墙肢钢板厚度对结构在地震作用下的耗能能力有一定程度的影响。但钢板厚度提升到12mm后，试件的延性会有大幅下降。

3结论

本文对基于外肋板节点的双肢组合钢板剪力墙结构的抗震性能进行了一系列研究，以剪力墙轴压比、墙肢钢板厚度等为参数，对结构在低周往复荷载作用下的抗震性能进行了有限元模拟，得出了以下结论：

（1）基于外肋板连接的双肢组合钢板剪力墙结构具备优秀的抗震性能，在低周往复荷载作用下，其滞回曲线基本呈现为饱满的梭形，耗能明显，并且具有良好的延性和后期变形能力。

（2）轴压比变大，结构承载能力会有提升，延性略有下降，耗能能力有小幅提升。

（3）随着钢板厚度的提升，结构承载能力会得到提升，同时耗能能力也有一定提升，但其延性也会明显下降。当钢板厚度由10mm增大至12mm后，结构的承载能力有一定提升，但是延性系数下降27.3%，下降较大。因此，墙肢钢板厚度不宜过大。