帶縫鋼板外包混凝土剪力墻性能研究

俞福利,蔣 路,王偉棟

(1.西安建筑科技大學,陜西西安710055;2.同濟大學,上海201900;3.寶鋼股份研究院(技術中心),上海201900)

0 前 言

帶縫鋼板墻(steel plate shear wall with slits,簡稱SPWS)最早由日本學者Hitaka[1]等提出,是指在鋼板上開設一系列豎縫形成的抗側構件。帶縫鋼板墻可以通過豎縫調節剛度和承載力,結構布置靈活,適用于高烈度區,具有較好的延性和耗能能力。但實驗和大量的有限元分析發現,在發生整體屈曲后,帶縫鋼板墻的延性和耗能指標將有所降低,為延緩、解決帶縫鋼板墻面外屈曲,同時解決鋼板墻建筑防火、消除鋼板的響聲等問題,提出外包混凝土帶縫鋼板墻的構想并對其進行有限元分析研究。

帶縫鋼板墻外包混凝土是指在帶縫鋼板墻兩側澆注一定厚度的鋼筋混凝土板而形成的組合墻體,通過貫穿與縫間的拉結筋將兩側混凝土板相連,使得外包混凝土板約束內置鋼板的整體屈曲。外包混凝土板同時還能解決鋼板墻建筑防火、消除鋼板的響聲等問題。2003年Hitaka[1]和Matsui對4組10片1/3和1/4縮尺比例的帶豎縫鋼板剪力墻進行了試驗研究,通過對鋼板寬厚比、豎縫設置位置和尺寸、鋼板有無加勁肋和外包砂漿板等試驗參數的分析表明:外包砂漿板的帶縫鋼板剪力墻,在最大層間側移角達到3%時,滯回曲線仍然未見明顯降低,剛度、承載力、延性以及滯回性能等方面較加勁肋的鋼板墻有更優越的性能。1995年,同濟大學李國強、張曉光、沈祖炎[2]通過對3個鋼板外包混凝土剪力墻試件和1個純鋼板剪力墻試件的模型試驗表明,鋼板外包混凝土剪力墻與鋼板剪力墻相比,具有良好的穩定性能和延性性能,同時剛度和強度也大大提高。清華大學郭彥林教授提出一種新型鋼板外包混凝土墻——防屈曲鋼板剪力墻[3],它由內嵌鋼板及兩側的預制混凝土蓋板構成,并做了7個不同試件的試驗研究,試驗表明防屈曲鋼板剪力墻比一般組合鋼板剪力墻、純鋼板剪力墻在極限承載力、滯回特性、延性方面得到了很好的改善,并且混凝土板在加載過程中始終完好。

2006年,寶鋼Living Steel項目部對帶縫鋼板墻進行了專題研究[4]。目前,該課題組已完成兩批足尺寸SPWS試件的低周往復加載試驗,第一批試驗結果表明,有混凝土外包的帶縫鋼板墻在初始剛度、極限承載力均有所提高,外包混凝土對鋼板整體屈曲起到了一定延緩作用,鋼板墻表現出更好的延性和耗能能力。

本文采用有限元軟件ANSYS,對12 mm厚純帶縫鋼板墻(SPWS)和鋼板外包混凝土墻(C-SPWS)兩個模型進行了數值模擬,對比分析了外包混凝土對鋼板墻初始剛度、極限承載力、延性和耗能方面的影響,得出帶縫鋼板外包混凝土組合墻體的一些有價值結論。

1 建立有限元模型

分析模型的幾何尺寸同寶鋼帶縫鋼板剪力墻試驗構件[5]。純帶縫鋼板墻分析模型參數如圖1(a)所示。C-SPWS主鋼板與SPWS完全相同,只是在鋼板墻兩側外包2 000 mm×1 910 mm×44 mm鋼筋混凝土板,板內布置的Φ 6@210鋼筋網(圖1(b)),單層雙向配筋板內,配筋率均為0.01。

圖1 模型尺寸參數

使用通用有限元軟件ANSYS進行分析。本文涉及鋼材、鋼筋和混凝土3種材料。鋼板的單元類型采用solid185;鋼板和鋼筋本構取理想彈塑性模型,鋼材為Q235,屈服應力取為fy=235 MPa,彈性模量E=2.06×105MPa,本構關系如圖2(a);屈服準則采用VonMises屈服準則。混凝土采用solid65,本構關系則用單軸受壓應力-應變曲線(Hognestad模型)[6],混凝土彈性模量E=2.8×104MPa,單軸抗壓fc=16.7MPa,單軸抗拉ft=1.78 MPa,本構關系如圖2(b);破壞準則采用Willam-Warnker五參數模型,分析中沒有考慮混凝土的壓碎,即采用W-W五參數模型時,單軸抗壓強度取-1;采用整體式建模方法建立混凝土模型,單層雙向配筋,配筋率按實驗采用。

圖2 材料模型圖

用ANSYS中的接觸單元來模擬考慮混凝土和鋼板之間相互作用,鋼板前后兩個面采用CONTAC174單元,混凝土內表面采用目標單元TARGE170模擬。按照試驗試件設計要求,鋼板和混凝土板用一層機油隔開,分析過程中不考慮混凝土板和鋼板之間摩擦作用,即接觸面只傳遞法向壓力,切向摩擦力為0。對鋼板與混凝土板連接模擬采用節點自由度耦合,三者始終同時工作。

模型邊界條件:鋼板底部約束全部自由度,頂端約束UZ,ROTX,同時耦合UX、UY。最終模型如圖3所示。

圖3 有限元模型圖

2 有限元分析

2.1 抗剪承載力和彈性剛度

圖4為承載力和剛度曲線。由圖可知,鋼板墻外包混凝土后抗剪極限承載能力和彈性剛度分別提高了54%和16.7%。提高原因分析如下:

剛度:加載前期,由于混凝土板和鋼板之間不考慮摩擦,在層間轉角很小的情況下,混凝土對鋼板墻的前期剛度貢獻不大。

承載力:混凝土板抑制了鋼板的整體屈曲和局部小柱的屈曲,鋼板墻始終處于面內受力,使得鋼板墻充分的進入塑性;鋼板墻隨著層間位移的不斷加大,混凝土跟著鋼板一起移動,出現一定程度上的剪切變形,所以對SPWS抗剪極限承載力上有所貢獻。

圖4 承載力剛度曲線

2.2 整板屈曲變形

對模型進行單調加載分析。圖5為層間位移角為θ=1/200、θ=1/30時模型的面外變形結果。由圖5可知,鋼板墻外包混凝土后整體面外變形由58mm減小到4.5mm,顯著減小,混凝土板有效地約束了鋼板面外變形,由此可知,外包混凝土板改變了SPWS的屈曲模式,由原來的整板屈曲模式變成局部小柱屈曲為主,即使得SPWS的屈曲模態向高階模態推移,屈曲荷載必然有所提高且受力的均勻性更好[7]。

圖5 SPWS和C-SPWS的面外位移云圖對比

2.3 延性和耗能

對以上建立的SPWS和C-SPWS模型進行同一循環荷載下加載分析,得出如圖6滯回曲線。由圖6(a)中可知,SPWS在50 mm荷載級下滯回環開始出現“捏攏”現象,主要是SPWS在加載過程中出現較明顯的整板屈曲造成的。C-SPWS由于有外包混凝土約束面外變形,沒有出現明顯的整板屈曲變形,滯回曲線未出現捏攏現象而更為飽滿(圖6(b))。

圖6 循環荷載作用下滯回曲線

圖7是層間轉角分別為 θ=1/300、θ=1/30時模型Von Mises應力云圖對比。加載前期,SPWS應力發展主要集中在縫端(圖7(a)),并以縫端為中心比較均勻的向外擴散,達到極限荷載時,縫間小柱中部區域也未達到屈服,而C-SPWS由于混凝土板的側向約束作用,起初也主要在縫端應力集中,可是隨著層間轉角的增大,屈服趨勢由縫端向中部延伸(圖7(b)),塑性發展更加充分,使得小柱抗彎承載力繼續小幅度提高,屈服區域明顯大于SPWS,所以在極限承載力上,C-SPWS會大于SPWS。

圖7 SPWS和C-SPWS的應力云圖對比

3 結 論

本文通過有限元軟件對12 mm厚純帶縫鋼板墻(SPWS)和帶縫鋼板外包混凝土墻(C-SPWS)兩個模型進行了數值模擬,得到以下結論:

(1)帶縫鋼板墻外包混凝土后抗剪承載力和彈性初始剛度將顯著提高;

(2)混凝土板對鋼板整體屈曲能起到良好的約束效果,帶縫鋼板墻滯回曲線的捏攏現象有了明顯改善,塑性發展更加充分,抗震性能有所提高。

[1]Hitaka Toko,Matsui Chiaki.Experimental study on steel shear wall with slits[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,2003,129(5):586-594.

[2]李國強,張曉光,沈祖炎.鋼板外包混凝土剪力墻板抗剪滯回性能試驗研究[J].工業建筑,1995,25(6):32-35.

[3]郭彥林,董全利,周 明.防屈曲鋼板剪力墻滯回性能理論與試驗研究[J].建筑結構學報,2009,30(1):31-39,47.

[4]寶山鋼鐵股份有限公司.同濟大學.北京賽博思工業化住宅集成系統工業有限公司.帶縫鋼板剪力墻研究[R].上海:同濟大學,2008.

[5]蔣路,陳以一,汪文輝,等.足尺帶縫鋼板剪力墻低周往復加載試驗研究I[J].建筑結構學報,2009,30(5):57-64.

[6]梁興文,王社良,李曉文.混凝土結構設計原理[M].北京:科學出版社,2004.

[7]郭彥林,董全利,周 明.防屈曲鋼板剪力墻彈性性能及混凝土蓋板約束剛度研究[J].建筑結構學報,2009,30(1):40-47.