軸壓比對鋼管混凝土邊框組合剪力墻的影響

于立彬 張延慶

剪力墻作為高層結構的抗側力構件,它的抗震性能對高層建筑有重要的影響。近來鋼和混凝土組合剪力墻在高層建筑尤其是復雜高層建筑中的應用和研究越來越多。如何提高和改善組合剪力墻的抗震性能已成為工程界十分關注和亟待解決的問題。鋼管混凝土邊框組合剪力墻是一種新型組合剪力墻,即在鋼管混凝土邊框間澆筑鋼筋混凝土剪力墻,鋼管混凝土邊框和鋼筋混凝土剪力墻之間采用抗剪連接鍵可靠連接。這種組合剪力墻結構具有軸向承載力高、延性好及混凝土墻體側向剛度大、抗震性能好的優點。在結構抗震設計中,軸壓比是影響剪力墻抗震性能的主要因素。因此,合理地確定軸壓比是解決結構設計問題的前提。

1 軸壓比對鋼管混凝土邊框組合剪力墻延性的影響

1)預壓應變的影響。鋼管混凝土邊框組合剪力墻在受到軸向荷載N后,將產生一個壓應變,在水平荷載作用下,受壓一側的壓應變將繼續增大,軸壓比影響鋼管混凝土邊框組合剪力墻的延性,實質就是軸向荷載所產生的預壓應變對截面延性的影響,軸壓力越大,預壓應變越大,使得截面的轉角變小,從而降低鋼管混凝土邊框組合剪力墻的延性。2)附加彎矩的影響。鋼管混凝土邊框組合剪力墻受到水平荷載作用時,軸向力將產生附加彎矩,而降低延性。當軸力為定值時,隨著試件水平位移的不斷增大,附加彎矩的影響越來越大,若截面抵抗彎矩一定,則水平承載力將會不斷降低,而且隨著位移的增大,由于受壓混凝土的破壞程度不斷加大和鋼材的屈服,截面承受彎矩的能力也會不斷降低,這些將導致水平承載力不斷下降。

2 有限元模型的建立

本文利用大型有限元軟件ANSYS對鋼管混凝土邊框組合剪力墻受力性能進行了有限元模擬。對于鋼管壁與混凝土之間的粘結模擬,少數研究者在鋼單元與混凝土之間加入了滑移單元或間隙單元,結果表明考慮界面之間的滑移性能對鋼管混凝土結構的整體受力性能影響不大,因此本文在分析過程中,假定鋼管壁和混凝土之間完全粘結。

2.1 模型的幾何尺寸

為了研究軸壓比對鋼管混凝土邊框組合剪力墻的受力性能影響,設計了QY系列試件,詳見表1,模型橫截面尺寸見圖1。

表1 試件尺寸明細表

2.2 單元的選取

在ANSYS中采用Solid65單元來模擬混凝土的材料性質,該單元為三維鋼筋混凝土實體。鋼管壁采用八節點六面體單元Solid45,抗剪鍵采用Beam188單元。

2.3 材料模型的確定

混凝土等級為C50,彈性模量為3.45×104N/mm2,泊松比為0.2;對于鋼材,假定鋼材為初始各向同性材料,選用Q235,應力應變關系采用雙線性隨動強化模型來描述。

2.4 加載制度

鋼管混凝土邊框組合剪力墻墻底固定,墻頂不加約束,求解時首先在結構頂部施加軸壓荷載,為了使施加水平荷載時結構不至于在加載點因為受力太大而產生局部點受壓破壞,故將荷載分散加在不同的節點上,然后在豎向荷載恒定的情況下施加水平荷載。

3 QY系列試件有限元計算結果及分析

n0=N/Nu。其中,n0為鋼管混凝土邊框組合剪力墻的設計軸壓比;N為軸力;Nu為軸壓設計承載力。

3.1 荷載—位移曲線分析

有限元計算QY系列試件荷載—位移曲線如圖2～圖6所示。

軸壓比對試件荷載—位移曲線的形狀影響較大。軸壓比較大時,結構的位移比較小,軸壓比較小時,則位移相對比較大。

隨著軸壓比的增加,構件的承載力出現減小的現象。此外,同類試件在線性階段的斜率相差不大,說明試件在彈性階段的剛度變化不大。

3.2 延性性能分析

從圖2～圖6的水平荷載—位移曲線可以看出:1)各鋼管混凝土邊框組合剪力墻的位移比較大,說明鋼管混凝土邊框組合剪力墻的延性性能比較好。2)隨著軸壓比的增加,結構的延性越來越差,軸壓比小時,延性比較大;相反,軸壓比比較大時,延性比較小。

3.3 承載力結果分析

表2列出了各軸壓比下結構出現初始屈服時結構的水平荷載和結構破壞時的極限荷載。

表2 不同軸壓比下結構荷載表 N

由表2中數據對比可見,軸壓比對鋼管混凝土邊框組合剪力墻的屈服荷載有明顯的影響,隨著軸壓比的不斷增大,屈服荷載逐漸變小。軸壓比對鋼管混凝土邊框組合剪力墻的極限荷載影響不明顯,在軸壓比為0.5時,極限荷載達到最大值。

3.4 破壞形態分析

在0.3和0.4的軸壓比下,結構的水平承載力隨著軸壓比的增大而增大,因為此時對結構的破壞起控制作用的是受拉區的鋼筋屈服,隨著受拉區鋼筋的屈服,受壓區的鋼管壁也達到屈服應力,受壓區的混凝土被壓碎。

在0.5,0.6,0.7的軸壓比下,隨著豎向荷載的增大,此時控制結構破壞的是受壓一側的混凝土,隨著水平荷載的增加,受壓一側的鋼管壁的下部出現初始屈服,但此時結構并未喪失承載能力,仍有一定的安全儲備,直到最后剪力墻右側底部的混凝土被壓碎,鋼管壁發生屈曲破壞,此時結構喪失承載能力,結構的最大水平承載力隨著軸壓比的增大而減小。

4 結語

1)軸壓比對鋼管混凝土邊框組合剪力墻的延性性能有明顯的影響,隨著軸壓比的增大,延性逐漸降低。軸壓比主要通過預壓應變和附加彎矩影響柱的延性。

2)軸壓比對鋼管混凝土邊框組合剪力墻的屈服荷載有明顯的影響,隨著軸壓比的增大,屈服荷載逐漸減小,而對極限荷載影響不明顯。在右側鋼管的底部存在應力集中現象,因此對鋼管的底部應加大剛度。

[1]李衛民,楊紅義.ANSYS工程結構應用案例分析[M].北京:化學工業出版社,2007.

[2]GB 50010-2002,混凝土結構設計規范[S].

[3]江見鯨,陸新征,葉烈平.混凝土結構有限元分析[M].北京:清華大學出版社,2005.

[4]過鎮海,時旭東.鋼筋混凝土原理和分析[M].北京:清華大學出版社,2003.

[5]韓林海.鋼管混凝土結構——理論與實踐[M].北京:科學出版社,2004.

[6]杜喜凱.方鋼管混凝土柱軸壓比限制的研究[D].天津:天津大學,2006.