9度抗震设防区某54m钢管混凝土束剪力墙结构性能研究*

蔡宏昊, 刘宜丰, 刘晓光, 胡立黎

(1 中国建筑西南设计研究院有限公司，成都 610042；2 杭萧钢构股份有限公司，杭州 310003)

0 引言

钢管混凝土束剪力墙是由钢管束与内填混凝土组合而成的剪力墙。钢管束是由若干个U型钢与矩形钢管、钢板拼装组成的具有多个竖向空腔的结构单元,常见形式有一字形、L字形、T字形、Z字形等(图1、2),钢板厚一般为4～6mm。钢管混凝土束剪力墙之间通过钢梁相连,钢管混凝土束剪力墙与钢梁的连接节点平面内为刚性连接,平面外为铰接,刚接节点典型形式有端板式和侧板式(图3)。

图1 钢管混凝土束剪力墙截面形式

图2 钢管混凝土束剪力墙实际工程

图3 钢管混凝土束剪力墙与钢梁连接节点形式

钢管混凝土束剪力墙结构是由钢管混凝土束剪力墙与钢梁组成的承受竖向和水平作用的一种新型组合结构,因其可充分发挥钢结构和混凝土结构的优势,抗震性能良好,构件标准化程度高,易于工业化生产,近年在国内得到了较多应用[1-2]。作为一种新型的装配式钢结构住宅体系,许多学者[3-6]对钢管混凝土束墙体的力学性能和抗震性能进行了研究。张晓萌[7]对钢管混凝土束墙体钢板厚度、轴压比、栓钉配置等方面进行了试验研究,结果表明试件端部U型钢钢板加厚可以使得试件破坏阶段延后、提高延性;陈志华[8]等分析了短肢钢管混凝土束剪力墙的力学性能,结果表明短肢钢管混凝土束剪力墙破坏模式为弯曲破坏,钢板厚度对试件承载力提升最大,上述研究成果均表明钢管混凝土束剪力墙抗震性能优越,承载能力、延性和耗能能力良好。钢管混凝土束剪力墙的相关研究成果已体现在协会标准《钢管混凝土束结构技术标准》(T/CECS 546—2018)[9](简称《钢管束标准》)中,因在9度抗震设防区应用钢管混凝土束剪力墙结构的经验不足,该标准尚未纳入9度抗震设防区,仅适用于8度及以下地区。在目前国家推进装配式钢结构住宅建筑的大背景下,9度抗震设防区也有应用需求。本文以某高层住宅项目设计案例为背景,对钢管混凝土束剪力墙结构在9度抗震设防区的结构性能进行研究,结果表明通过适当加厚边框和楼电梯井外圈等重要部位墙体钢板厚度,该体系在9度抗震设防区整体能达到C级性能目标要求,可适用于9度抗震设防区。

1 结构分析

根据对同一高度(54m)的钢管混凝土束剪力墙结构在8度抗震设防区的分析结果表明,结构竖向构件采用常规的钢板厚度(4～6mm)就可使结构整体指标满足规范要求,且在罕遇地震作用下剪力墙损伤较小,而9度抗震设防区钢管混凝土束剪力墙构件的损伤较大,因此,本文主要采用结构抗震性能化设计方法对钢管混凝土束剪力墙结构在9度抗震设防区的结构性能进行研究。

1.1 结构性能目标

结合《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[10](简称《高规》)和《钢管束标准》的相关要求,以及钢管混凝土束剪力墙试验[3-5]分析结果,结构性能目标确定如下:1)多遇地震作用下,结构整体指标满足规范要求,构件均处于弹性状态;2)设防地震作用下,钢管混凝土束剪力墙满足正截面不屈服、抗剪弹性的要求;3)罕遇地震作用下:钢管混凝土束剪力墙满足抗剪不屈服的要求;剪力墙混凝土部分允许出现压缩损伤,但压缩损伤系数超过0.9的面积不大于墙体混凝土截面面积的1/2;剪力墙钢板允许部分进入塑性,但屈服面积不应大于墙体钢板截面面积的1/2,最大塑性应变不超过2.5%;钢梁可以部分进入塑性,但是最大塑性应变不超过2.5%;弹塑性最大层间位移角不超过1/70。

1.2 分析方法

多遇地震作用下采用振型分解反应谱法和时程分析法对结构进行弹性分析以及弹性时程分析;设防地震作用下采用振型分解反应谱法(等效弹性方法)对构件进行复核验算;罕遇地震作用下分别采用振型分解反应谱法和时程分析法对结构进行等效弹性分析和动力弹塑性分析。

2 案例概况

某高层住宅建筑18层,位于四川省成都市,建筑面积4814m2,标准层长27.6m,宽11.5m,层高3m,主体结构结构高度54m。结构安全等级为二级,抗震设防类别为标准设防类,场地类别为Ⅱ类,抗震设防烈度为9度(0.4g),设计地震分组为第三组。基本风压为0.3kN/m2(50年一遇),地面粗糙度为B类。

结构主体采用钢管混凝土束剪力墙结构,标准层结构布置如图4所示,钢梁与钢管混凝土束剪力墙面内方向采用刚接,面外方向采用铰接,并在结构平面、楼电梯井的角部以及局部墙体转角处设置钢管混凝土柱与钢梁刚接,如图5所示。主要构件截面如下:1～18层钢管混凝土束剪力墙墙肢截面厚150mm,钢板厚度为6mm,其中1～6层边框墙及楼电梯井外圈墙为加强截面,钢板厚度加厚为8mm,钢管束端部腔体钢板加厚为16mm,墙体内混凝土强度等级1～6层C60、7～12层C50,13～18层C40;边框梁截面为HN400×150×8×13,内框梁截面为HN300×150×6.5×9。

图5 转角处刚接梁形式

3 计算结果

3.1 多遇地震计算结果

3.1.1 结构整体指标

分别采用结构分析软件SATWE和MIDAS Gen对结构进行多遇地震作用下的弹性分析,同时考虑双向地震作用、竖向地震作用、扭转耦联和施工模拟加载的影响。两个软件的计算结果对比如表1所示,可以看出两者在结构质量、周期、楼层剪力和最大层间位移角等方面的计算结果接近,且均在合理范围内。

表1 两个软件计算结果

多遇地震作用下结构的层间位移角和层剪力分别如图6、7所示。X向和Y向的最大层间位移角分别为1/431和1/456,满足《钢管束标准》规定的1/350的限值要求。

图6 多遇地震作用下层间位移角

图7 多遇地震作用下层剪力

3.1.2 弹性时程分析

按照《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[11](简称《抗规》)5.1节的相关要求,选用五条天然波和两条人工波进行多遇地震弹性时程分析,分析时峰值加速度取140gal,主方向、次方向与竖向的峰值加速度比值为1.00∶0.85∶0.65。弹性时程分析结果如表2所示,七条波基底剪力的计算结果与CQC法计算结果的比值大于65%且小于135%,X向和Y向的基底剪力平均值分别为CQC法的1.01和1.02倍。七条波计算得到的最大层间位移角均小于1/350,且平均值小于CQC法的结果。

表2 弹性时程分析计算结果

3.2 设防地震构件复核

设防地震下按正截面不屈服复核性能目标时,混凝土及钢材的强度均取标准值;按抗剪弹性复核性能目标时,混凝土及钢材的强度均取设计值。设防地震设计中风荷载不参与计算。分别对结构中受力较大的钢管混凝土束剪力墙进行承载力验算,选取的剪力墙编号如图8所示。图中KQ1、KQ4为外框位置的钢管混凝土束剪力墙,KQ2、KQ3为楼电梯井外圈位置的剪力墙。

图8 受力较大的典型墙体

3.2.1 正截面不屈服设计

在设防地震作用下,竖向构件的正截面承载力应按照《高规》式(3.11.3-2)的相关规定进行复核验算。

构件在设防地震作用下的最不利内力与P-M承载力包络曲线的比较结果如图9～12所示。可以看出,墙体最不利工况内力均在对应的P-M承载力包络曲线以内,KQ1～KQ4均可以实现正截面不屈服的性能目标,且有一定富余。

图9 KQ1正截面承载力验算

图10 KQ2正截面承载力验算

图11 KQ3正截面承载力验算

图12 KQ4正截面承载力验算

3.2.2 抗剪弹性设计

设防地震作用下,竖向构件的受剪承载力应按《高规》式(3.11.3-1)的相关规定进行复核验算。

KQ1～KQ4的抗剪承载力弹性验算结果如表3所示,可以看出设防地震作用下钢管混凝土束剪力墙满足性能目标C级对应的抗剪弹性要求,剪力值均不超过承载力的60%,有较大的富余度。

表3 钢管混凝土束剪力墙截面抗剪弹性验算

3.3 罕遇地震下结构性能

罕遇地震作用下,采用振型分解反应谱法(等效弹性法)验算构件的抗剪性能,结果如表4所示,可以看出罕遇地震下钢管混凝土束剪力墙满足抗剪不屈服的构件性能目标。钢管混凝土束剪力墙构件性能水准及宏观性能水平,主要以弹塑性动力时程分析结果复核。

表4 钢管混凝土束剪力墙截面抗剪不屈服验算

3.3.1 构件模型

采用SAUSAGE 2020软件对所建立的三维非线性分析模型进行弹塑性时程分析时,钢材采用双线性随动硬化本构模型,强化段弹性模量取弹性段的1%;混凝土采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[12]附录C中的应力-应变本构模型,可以反映混凝土滞回、刚度退化和强度退化等特性。

根据《钢管束标准》第5.3节的相关要求,钢管混凝土束剪力墙可采用纤维模型和分层壳模型两种简化模拟单元,也可采用实体单元进行模拟。考虑到若采用实体单元进行模拟计算量过大,以及采用纤维模型对钢板混凝土组合剪力墙进行模拟的计算软件和相关研究成果较少,同时相关研究[13-14]表明分层壳模型可以较为准确地分析钢板组合剪力墙的力学性能,故本文中采用弹塑性分层壳单元对钢管混凝土束剪力墙进行模拟,不考虑横隔板、钢管束中钢板对内部混凝土的约束作用以及钢管对内部混凝土的条状划分的影响;结构模型中梁、柱等杆件采用纤维束模拟。

3.3.2 钢管束剪力墙分层壳单元与试验对比

为验证弹塑性分析的准确性,选择钢管混凝土束剪力墙拟静力试验[6]为验证依据,试验的构件尺寸、材料特性及加载方式等详见文献[7],采用ABAQUS有限元软件建立考虑几何非线性和材料非线性的二维有限元计算模型,对钢管混凝土束剪力墙在低周往复荷载作用下的受力性能进行了分析,有限元模型及网格划分如图13所示。模型中墙体采用分层壳单元模拟,共三层,中间层为混凝土,两侧为钢材,各层的厚度与形心位置和构件截面构造完全一致。

图13 有限元模型及网格划分

图14、15为钢管混凝土束剪力墙试验结果与有限元分析结果的骨架曲线对比,表5为试验与有限元分析的峰值荷载结果比较,可以看出:采用分层壳单元模拟得到的骨架曲线与试验骨架曲线在弹性阶段基本一致,正负向峰值承载力误差均在10%以内,整体吻合良好。由于有限元模拟中未考虑横隔板、混凝土约束等对钢管混凝土束剪力墙的有利影响,使得试件模拟的峰值荷载略小于试验结果。本文罕遇地震作用下的动力弹塑性分析中采用分层壳单元模拟钢管混凝土束剪力墙。

表5 试验与有限元分析的峰值荷载比较结果

图14 试件1有限元与试验结果对比

图15 试件2有限元与试验结果对比

3.3.3 地震波选取

按照《抗规》的选波要求,选择符合条件的两条天然波和一条人工波,人工波为RH2TG045、天然波为TH063TG045和TH089TG045,地震波峰值加速度取620gal,输入时均考虑三向地震输入,天然波TH089TG045主方向的加速度时程记录见图16。

图16 天然波TH089TG045时程曲线

3.3.4 分析结果

罕遇地震弹塑性分析的底部剪力与多遇地震弹性时程分析结果对比如表6所示,地震剪力比平均值X向为4.17,Y向为3.89,均小于罕遇地震峰值加速度与多遇地震峰值加速度之比4.43,说明结构在罕遇地震作用下有部分构件进入塑性,耗散了地震能量,且Y向进入塑性程度更大。

表6 罕遇地震弹塑性与多遇地震时程分析的底部剪力对比

结构在罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角见图17和图18,X向主激励时的最大层间位移角为1/113,Y向主激励时的最大层间位移角为1/109,均小于罕遇地震性能目标所规定的层间位移角限值1/70。同时不同地震波作用下,最大层间位移角出现的楼层不同,说明没有明显的薄弱楼层。

图17 罕遇地震下X向层间位移角

图18 罕遇地震下Y向层间位移角

将三条地震波下的钢管混凝土束剪力墙受压损伤云图进行对比,发现天然波TH089TG045的地震响应(构件损伤)最大,因此选取天然波TH089TG045考察结构的响应。

图19 边框梁损伤发展

图20 内框梁损伤发展

X向TH089TG045波作用下,钢管混凝土束剪力墙中间混凝土受压损伤如图22(a)所示,大部分墙体损伤因子小于0.6,属于中度损坏,主要损伤集中在底部加强区和局部短肢墙体,但是单片墙、伤因子超过0.9的面积不大于墙体截面面积的1/2,满足罕遇地震下墙体构件的性能目标。

图22 钢管混凝土束剪力墙云图

Y向TH089TG045波作用下,钢管混凝土束剪力墙两侧钢板塑性应变如图22(b)所示,绝大部分墙体钢板并未进入屈服,仅有底部加强区局部墙体钢板进入塑性,最大塑性应变为0.00137,远小于钢材的极限应变0.025。

Y向TH089TG045波作用下,钢梁最终时刻的塑性应变如图23所示,钢梁的最大塑性应变为0.00595,远小于钢材的极限应变0.025。

图23 钢梁最终时刻塑性应变图

4 结论

本文通过抗震性能化设计方法对9度抗震设防区下高层钢管混凝土束剪力墙结构的性能进行了研究,可得出以下结论:

(1)钢管混凝土束剪力墙结构住宅,通过适当加厚边墙、楼电梯等重要部位墙体钢板厚度,其抗震性能可满足性能目标要求,该结构体系可应用于9度抗震设防区。

(2)采用分层壳元模拟钢管混凝土束剪力墙在罕遇地震作用下的弹塑性性能,经有限元与试验结果对比,骨架曲线整体吻合良好。

(3)按抗震性能化设计方法对本案例钢管混凝土束剪力墙结构的分析表明:钢管混凝土束剪力墙构件可以达到设防地震作用下抗剪弹性、抗弯不屈服,罕遇地震作用下抗剪不屈服的性能目标。构件承载力达到《高规》C级的性能目标要求,且抗剪承载力有较大的富余度,符合强剪弱弯的抗震设计要求。

(4)罕遇地震动力弹塑性时程分析结果表明,钢梁先于钢管混凝土束剪力墙发生屈服,能够起到预期的耗能作用;钢管混凝土束剪力墙结构达到预定性能目标时,钢管混凝土束剪力墙结构中钢板基本处于弹性阶段,混凝土受压损伤主要集中在底部加强区和局部短墙肢墙位置,最大层间位移角1/109,能达到规范要求的“大震不倒”要求。

(5)由于钢管混凝土束剪力墙在罕遇地震作用下损伤较大,针对9度抗震设防区的钢管混凝土束剪力墙结构设计建议采用性能化设计方法。