不同轴压比下ECC双钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能

袁朝庆， 宋 爽， 章 桀， 代晓辉

(东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318)

0 引 言

传统钢筋混凝土剪力墙塑性变形能力较差，而且工期较长，自重较大。双钢板剪力墙具有较好的抗侧向力、承载力和抗震性能[1-2]。近年来，越来越多的双钢板剪力墙在高层和超高层建筑中得到实践。国内聂建国[1]、郝婷玥等[3]研究表明，双钢板混凝土组合剪力墙滞回曲线较为饱满，耗能能力较强，极限位移角提升较为明显，延性有较大提升，承载能力更好。同时，隔板的拉结作用可减少钢板的屈曲，加强对内部混凝土的约束作用，更好的满足超高层建筑对剪力墙的要求。

ECC材料[4]全称为新型高纤维水泥基复合材料，由Li等[5]最早提出，ECC材料具有较好的抗拉、抗压和抗剪的特性。梁兴文等[6]将ECC材料代替混凝土用于混凝土剪力墙潜在塑性铰区域研究其抗震性能，实验结果表明：添加ECC材料的混凝土剪力墙裂缝开展较缓，抵抗震损能力有较大提升。ECC材料与混凝土交界处未见明显的剪滑裂缝，两种材料可以很好地协同工作。

现有文献多是将ECC材料应用于普通钢筋混凝土剪力墙进行相关分析与研究。笔者将ECC材料引入双钢板混凝土组合剪力墙中，在混凝土底部加入ECC材料，由外侧钢板包裹内部混凝土和ECC材料，组成ECC双钢板混凝土组合剪力墙。利用有限元软件建立有无ECC材料的双钢板混凝土组合剪力墙进行对比，并分析其在不同轴压比下ECC双钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能。

1 有限元模型的验证

选用文献[7]中试件DCSW1作为验证分析对象，使用ABAQUS软件建立与文献[7]中实验构件相同尺寸的模型，并选择相同的加载方式，分析对比其滞回性能。采用ABAQUS/Standard分析模块，采用C3D8R混凝土和钢材单元。采用塑性损伤混凝土本构模型和金属塑性钢材本构模型。混凝土与钢板间采用面面接触，法向接触和切向接触分别选用“硬接触”和 “罚接触”。忽略加载梁的影响，底部固定[8]。将结构表面耦合点设置于上表面中点，在耦合点上施加荷载。文中建立的有限元模型DCSW1*如图1所示。

图2和图3分别为滞回曲线和骨架对比曲线。其中，图2a为文献[7]的实验曲线，图2b是本文利用有限元模拟的实验结果。由图2可见：

图1 DCSW1*有限元模型Fig. 1 DCSW1* finite element model

(1)文中所建模型的滞回曲线和实验相近，且更加光滑，有限元模拟忽略了材料本身气泡、孔隙等的缺陷。

(2)两条骨架曲线形状相同。在初始阶段，文中建立的模型DCSW1*与实验更为接近，屈服点刚度略低于实验值。

(3)文中模型DCSW1*的初始刚度B与文献[7]中的实验结果见表1，初始刚度相差7.81%；屈服荷载Fy相差2.72%，屈服位移Δy相差5.78%，峰值荷载Fmax相差4.84%，峰值位移Δmax相差1.63%，最大不超过8.00%。由此可知，有限元模型DCSW1*可以较好地模拟双钢板混凝土组合剪力墙。

图2 滞回曲线Fig. 2 Hysteresis curve

图3 骨架曲线对比Fig. 3 Comparison of skeleton curves

表1 实验结果与有限元结果的对比

2 有限元模型的建立

利用ABAQUS建立轴压比分别为0.3、0.4、0.5、0.6的双钢板混凝土组合剪力墙,模型名称为DW1、DW2、DW3、DW4。剪力墙模型如图4所示。在4组不同轴压比双钢板混凝土组合剪力墙基础上，混凝土底部加入整体高度10%的ECC[9]，建立4组ECC双钢板混凝土组合剪力墙，命名为EW1、EW2、EW3、EW4。剪力墙模型如图5所示。

图4 双钢板混凝土组合剪力墙Fig. 4 Double steel plate concrete composite shear wall

图5 ECC双钢板混凝土组合剪力墙Fig. 5 ECC double steel plate concrete composite shear wall

钢板与混凝土接触方式与上述验证模型中相同。底部采取完全固定的方式[8]。钢材和混凝土本构模型与验证模型相同，钢材屈服强度345 MPa，混凝土等级为C30。ECC本构参照文献[10]，ECC与钢板的接触关系为黏结作用，与混凝土的连接方式为绑定接触。模型具体参数见表2。其中，h为试件高度，b为宽度，d为厚度，h1为ECC材料高度。

表2 两种剪力墙的轴压比参数变化对比

3 有限元结果与分析

3.1 滞回曲线与骨架曲线

通过对两组双钢板组合剪力墙进行低周往复荷载模拟，得到如图6和图7的滞回曲线。由图6和图7对比可得：

(1)DW系列随着轴压比的增加，滞回曲线逐渐捏拢，轴压比0.6时捏拢程度不大。低轴压比时(0.3～0.4)，模型达到峰值荷载后下降速度明显；高轴压比下(0.5～0.6)，模型达到峰值荷载后下降速度不明显，双钢板混凝土组合剪力墙在高轴压比下延性较差。

图6 不同轴压比下DW系列模型滞回曲线Fig. 6 Hysteresis curves of DW series models under different axial compression ratios

(2)EW系列试件在高轴压比下捏拢效果十分明显。随着轴压比的增加，ECC双钢板混凝土组合剪力墙在达到峰值荷载后下降速度缓慢，说明在高轴压比下，结构的延性较好，可以满足在高层建筑中的应用。

图7 不同轴压比下EW系列模型滞回曲线Fig. 7 Hysteresis curves of EW series models under different axial compression ratios

(3)低轴压比时，普通双钢板混凝土组合剪力墙与ECC双钢板混凝土组合剪力墙区别不大。高轴压比时，ECC材料作用效果明显，整体滞回曲线捏拢效果明显，曲线饱满光滑，下降段缓慢，同普通双钢板混凝土组合剪力墙相比变形能力更好。

图8为DW试件和EW试件的骨架曲线对比和总骨架曲线对比。

图8 不同轴压比下骨架曲线Fig. 8 Skeleton curves under different axial compression ratios

由图8可见，在弹性阶段，EW模型和DW模型骨架曲线趋近于重合，说明初始阶段ECC在整体结构中发挥的作用不大。在弹性阶段以后，其峰值荷载和峰值位移相较于DW模型有明显提升，且塑性段的拐点出现较晚，说明EW模型相较于DW模型整体延性较好。

在DW模型组中，双钢板组合剪力墙在峰值荷载后下降段较快，高轴压比时下降段较缓，加载初期骨架曲线基本重合。随着轴压比的增大，DW系列模型塑性阶段的拐点出现的越晚，峰值荷载和极限荷载越小。EW模型在弹性阶段曲线几乎重合，且下降速度缓慢，EW模型整体延性较好。在轴压比0.5时其峰值荷载达到最大，相较于低轴压比，高轴压比的峰值荷载和极限荷载明显滞后，说明其承载能力和变形能力更好。

3.2 承载能力与变形能力

使用割线刚度法对骨架曲线进行量化，分析轴压比对不同模型的抗震性能的影响，取峰值荷载下85%的点为极限荷载Fu。具体参数如表3所示。各模型变形载力计算的有限元结果见表4。

由表3可知， DW模型中，随着轴压比的提升，其屈服荷载和峰值荷载下降，DW2、DW3、DW4相较于DW1的屈服荷载分别下降了2.58%、5.15%、9.21%；峰值荷载方面DW2、DW4相较DW1提升了4.54%、0.92%，DW3相较DW1下降了0.15%。相较于EW1，EW2的屈服荷载略有下降；EW3和EW4的屈服荷载分别提升了4.1%和11.67%。峰值荷载方面，EW2、EW3、EW4相较于EW1分别下降了0.96%、0.14%、0.10%。

表3 各模型承载力特征点的有限元结果

表4 各模型变形能力计算的有限元结果

延性方面，随着轴压比的增大，DW2、DW3、DW4相较于DW1延性系数分别下降了10.16%、15.25%、16.38%；EW2、EW3、EW4相较于EW1分别下降了5.54%、12.92%、23.25%。

在高轴压比下，EW模型表现良好。在0.6时EW模型的峰值荷载提升幅度最大，且极限位移延后，结构延性效果较好。相比于DW模型，EW模型的峰值荷载、屈服荷载和延性均有所提升，EW的整体结构变形性能较好。

3.3 刚度退化能力

图9是ECC双钢板混凝土组合剪力墙和普通双钢板混凝土组合剪力墙的刚度退化对比曲线。

DW模型和EW模型随着加载级的增大，初始刚度退化速度较为缓慢。弹性阶段，随着加载级的增大，刚度退化速度较快。在达到峰值阶段后，结构处于破坏状态，刚度退化开始渐渐平缓。在不同轴压比下，结构初始阶段EW模型的刚度退化速度相较于DW模型刚度退化速度较为缓慢，差别不明显。初始阶段后EW模型刚度退化速度与DW模型趋于一致，说明两组模型在不同轴压比下刚度退化速度相差不大。ECC双钢板混凝土组合剪力墙在刚度退化速度方面对比普通双钢板组合剪力墙差距不明显。

图9 刚度退化曲线对比Fig. 9 Comparison of stiffness degradation curves

3.4 耗能能力

通过计算结构在低周往复荷载下的等效黏滞系数η和层间位移角θ之间的关系，比较不同轴压比下ECC双钢板混凝土组合剪力墙和普通双钢板混凝土组合剪力墙的耗能能力，结果如图10所示。

图10 不同轴压比下的等效黏滞系数对比Fig. 10 Comparison of equivalent viscosity coefficients under different axial compression ratios

由图10可知，初始阶段，结构水平位移较小，不同轴压比对结构的影响不大。水平位移增大时，EW试件的等效黏滞系数逐渐增大，ECC在结构中发挥的作用增大。对于EW试件，早期结构的耗能能力低于DW试件；后期随着层间位移角的增大，EW试件等效黏滞系数增大。这说明EW试件在达到结构耗能峰值点前可以承受更大的位移，持续耗能能力更强。在变形较大时，EW试件的耗能能力优于DW试件，试件中的ECC材料具有更好的延性和抗拉能力，结构整体的变形能力较好。ECC作为底部主要破坏部件，使EW试件整体结构的耗能能力强于DW试件，且在高轴压比下，ECC材料更早发挥作用，其等效黏滞系数更高，耗能能力更好。

4 结 论

(1)ECC材料具有良好的延性和抗拉、抗压性能，ECC双钢板混凝土组合剪力墙在不同轴压比下均表现优良。高轴压比下结构的滞回曲线捏拢效果十分明显，相较于普通双钢板混凝土组合剪力墙拥有更好的延性。

(2)在高轴压比(0.5～0.6)下，ECC双钢板混凝土组合剪力墙的整体延性较好。在轴压比为0.6时峰值荷载最大，相较于低轴压比(0.3～0.4)，其峰值荷载和极限荷载明显滞后，说明其承载能力和变形能力更好。高轴压比下ECC材料更早发挥作用，其等效黏滞系数更高，耗能能力更好，结构抗震性能发挥作用最大。

(3)在满足C30混凝土强度等级下，ECC双钢板混凝土组合剪力墙由于底部ECC材料的优越性能，在高轴压比下更加实用，因此建议轴压比取0.6。