雙層鋼板內填混凝土組合剪力墻滯回性能數值分析

羅永峰+李健+郭小農

文章編號：16742974(2014)06005706

收稿日期：20130701

基金項目：住房和城鄉建設部科學技術計劃項目 (2010K226)

作者簡介：羅永峰（1957-），男，陜西禮泉人，同濟大學教授，博士生導師

通訊聯系人，E-mail:guoxiaonong@tongji.edu.cn

 

摘 要：在試驗研究的基礎上，分析雙層鋼板內填混凝土組合剪力墻結構的受力特點，建立了帶初始缺陷的有限元數值計算模型，并與試驗結果進行了對比；通過有限元數值模擬，分析了軸壓比、高寬比、寬厚比等主要參數對剪力墻滯回性能的影響規律及其特征.研究結果表明，高寬比、寬厚比、軸壓比對雙層鋼板內填混凝土組合剪力墻受力性能均有影響，軸壓比是影響承載能力的主要因素，而高寬比與寬厚比是影響初始剛度的主要因素.

關鍵詞：雙層鋼板內填混凝土組合剪力墻；滯洄性能；初始剛度；承載能力；數值分析



中圖分類號：TU375.4 文獻標識碼：A

Numerical Analysis of Hysteretic Performance 

of Doublesteellayerconcrete Composite Shear Wall



LUO Yongfeng， LI Jian， GUO Xiaonong

(Dept of Building Engineering, Tongji Univ, Shanghai 200092，China)

Abstract:This paper summarizedthe current research status of doublesteellayerconcrete composite shear walls. Then, it presenteda brief introduction to the experiments of doublesteellayerconcrete composite shear wall. Based on the experimental study of doublesteellayerconcrete composite shear wall, the hysteretic behavior of the wall was analyzed and the finite element model with initial imperfections was established. Compared with the experimental results, the FEM model was verified to be efficient. Through numerical analysis, the influence of several parameters, including the high aspect ratio, the widthtothickness ratio and the axial compression ratio, on the hysteretic behavior of the wall was explored. The numerical results have shown that all the 3 parameters have effects on the mechanical performance of the wall, the axial compression ratio is the most important factor for the loading capacity of the wall and the high aspect ratio and widthtothickness ratio are the most important factors for the initial stiffness of the wall.

Key words:doublesteellayerconcrete composite shear wall; hysteretic behavior; initial stiffness; loading capacity; numerical analysis



剪力墻結構因其抗側剛度大，能有效減少樓層水平位移，自20世紀60年代起，被廣泛應用于高層及高聳結構中.剪力墻可根據建造材料分為鋼筋混凝土剪力墻、鋼板剪力墻及組合剪力墻.

組合剪力墻是將2種以上的材料通過某種形式組合在一起形成剪力墻，可抵抗豎向力和水平力，材料通常為鋼和混凝土2種.剪力墻的混凝土與鋼結構之間通過設置構造措施使之協同工作.根據構造形式的不同可分為帶邊框和不帶邊框的組合剪力墻；根據鋼板所在位置又可分為內嵌鋼板外包混凝土式、單側鋼板混凝土式、雙層鋼板混凝土式等[1].本文所研究的雙層鋼板內填混凝土組合剪力墻就屬于不帶邊框的雙層鋼板混凝土式.

目前，國內外學者對雙層鋼板內填混凝土剪力墻研究較少.Wright等[2-3]對雙面壓型鋼板內填混凝土組合剪力墻在施工階段和使用階段的軸壓性能和抗剪性能進行了試驗研究，由于采用的壓型鋼板較薄，容易失穩，使得鋼板屈曲對這種剪力墻抗剪性能有較大影響.Eom等[4]對內設縱橫向加勁肋的雙層鋼板組合剪力墻進行了往復水平荷載作用下的試驗研究，試驗中支座約束形式對試件的受力性能有較大影響，并影響了最后的破壞模式.聶建國等[5]為了優化高層結構中的剪力墻，對兩邊帶端柱的雙層鋼板組合剪力墻進行了抗震性能試驗研究，得到了滯回性能曲線、延性系數、典型的破壞形態等.Link等[6]對雙層鋼板內填混凝土組合剪力墻在豎向荷載和水平反復荷載下的極限承載力和后期承載力進行了非線性有限元分析.Corus[7]公司提出Bisteel組合墻構造并開展了相應的研究.司波等[8]利用有限元軟件對雙層鋼板剪力墻鋼板厚度、墻的高厚比、邊長比等對其抗側剛度的影響進行分析，并利用單位荷載法對抗側剛度進行擬合.黃會平等[9]以千手觀音實際工程為背景，用有限元軟件分析了雙層鋼板剪力墻抗剪屈曲性能，得到了其基本承載力.祝文君等[10]在黃會平研究的基礎上，對雙層鋼板剪力墻進行了滯回性能數值分析.

雖然雙層鋼板內填混凝土剪力墻具有良好的抗震性能，但由于它是一種新型的結構形式，相應的試驗研究、理論研究和設計方法較少，還沒有形成完整

的體系.目前尚需研究的主要問題有：1)不同構造形式對其承載力和延性的影響；2)不同鋼板強度和混凝土強度對其承載能力的影響；3)軸壓比對其滯回性能的影響；4)剪力墻高厚比、寬厚比等參數對其抗震性能的影響；5)剪力墻的簡化設計方法；6)剪力墻在施工過程中的力學性態等.

本文在已有試驗研究的基礎上，分析雙層鋼板內填混凝土剪力墻試件的受力特點，建立考慮剪力墻初始幾何缺陷的有限元模型，在與試驗結果對比分析的基礎上，通過大量數值分析，研究主要參數對剪力墻受力性能的影響特征與規律，為雙層鋼板內填混凝土剪力墻的深入研究與應用提供數據和資料.

1 試驗簡介

1.1 試驗設計

設計了9個雙層鋼板內填混凝土組合剪力墻試件，試件縮尺比例為1∶2.5.試件鋼板材料為Q235，混凝土有C30和C50兩種.根據工程實際選取兩種軸壓比0.4和0.25.試件設計圖如圖1所示，試件參數見表1.



圖1 試件設計示意圖

Fig.1 Design drawing of specimens



表1 試件設計參數

Tab.1 Design parameters of specimen mm 

試件編號

H

T

B

t

隔板數

抗剪螺栓

對拉栓釘

混凝土等級

軸壓比

開洞形式

SCSW1

2 160

120

1 200

8

3

Φ8@160

Φ8@160

C30

0.4

不開洞

SCSW2

2 160

120

1 200

8

3

Φ8@160

Φ8@160

不灌混凝土

0.25

不開洞

SCSW3

2 160

120

1 200

8

3

C30

0.4

不開洞

SCSW4

2 160

120

1 200

8

1

C30

0.4

不開洞

SCSW5

2 160

120

1 200

8

3

Φ8@160

Φ8@160

C30

0.25

開洞, 880

SymboltB@

320

SCSW6

3 000

120

1 200

8

3

Φ8@160

Φ8@160

C30

0.4

不開洞

SCSW7

3 000

120

1 200

6

3

Φ8@160

Φ8@160

C30

0.25

不開洞

SCSW8

2 160

120

1 200

6

3

Φ8@160

Φ8@160

C30

0.25

不開洞

SCSW9

2 160

120

1 200

8

3

Φ8@160

Φ8@160

C50

0.25

不開洞注：H表示試件墻高；T表示剪力墻厚度；B表示剪力墻寬度；t表示鋼板厚度.

加載模式設計按要求的軸壓比，將豎向荷載一次加載完成，并保持恒定不變，然后根據計算得到的屈服位移δy，在試件屈服前，按0.3δy, 0.7δy, 1.0δy的荷載分級模式在加載梁上進行水平加載；在試件屈服后，以δy為級差加載，直至破壞.屈服前，每級加載循環2圈，屈服后，每級加載循環3圈.

1.2 試驗現象

通過試驗得到了組合剪力墻的破壞模式.隨著荷載增大，翼緣板邊緣最先屈服.試件進入塑性后，鋼板表面油漆逐漸脫落，當材料強度得到充分發揮時，試件端部鋼板開始鼓曲，試件達到極限承載力.與純鋼板剪力墻和沒有對拉栓釘剪力墻的破壞模式不同，該類試件的破壞模式為：底部混凝土壓碎、對拉螺栓拉斷、底部鋼板鼓曲，試件失效或破壞.如圖2所示.

(a) 加載初期

(b) 極限承載力狀態

(c) 破壞階段

圖2SCSW6的試驗照片

Fig.2 Test photos of SCSW6



2 剪力墻數值計算模型

2.1 有限元模型

根據剪力墻試驗模型，可將有限元模型的約束條件簡化為下端固定、上端自由.墻體長度取剛性支座頂面到加載梁水平中心線間的垂直距離，墻體的橫截面尺寸為各試件的實測尺寸，由于加載梁剛度比下部試件的剛度大很多，因此，可忽略加載梁的變形，加載梁只起到分擔荷載的作用.由試驗可知，墻體整體偏心很小，建模時，可忽略墻體的安裝偏差，假定豎向力和水平力作用在墻體中心.模型的總體幾何初始缺陷模式可根據一階屈曲模態確定，初始缺陷幅值取H/1 000.

采用Abaqus中的C3D8R實體單元模擬混凝土，S4R殼單元模擬鋼板，T3D2梁單元模擬栓釘.劃分單元時，高度方向和寬度方向以40 mm為一個單位，厚度方向以30 mm為一個單位.剪力墻有限元模型如圖3所示.幾何初始缺陷如圖4所示.由于隔板和栓釘約束，鋼板與混凝土連接良好，鋼板到加載后期呈現塑性時才出現屈曲.因此，在有限元模擬時，忽略混凝土與鋼板之間的黏結滑移.



圖3 有限元模型

Fig.3 Finite element model

圖4 試件幾何初始缺陷

Fig.4 Initial geometric imperfections



2.2 材料本構關系

根據滯回性能特點，選取能夠考慮反復受力狀態的材料本構關系.鋼材采用混合強化本構關系(linear kinematic hardening model)，屈服值、極限值選取材性試驗數值.8 mm厚鋼板的材性曲線如圖5所示.動力強化系數C根據式(1)[11]代入材料極限應變和極限應力確定.

C=σlim－σ0εpl.（1）

式中：σlim為極限強度；σ0為屈服強度；εpl為極限塑性應變.

應變/10-6

圖58 mm鋼板應力應變關系

Fig.5 Stress strain relations of 8 mm steel plate 

混凝土材料的本構關系選取能夠考慮混凝土損傷的混凝土塑性損傷模型(concrete damaged plasticity model).受壓強度曲線采用文獻[12]給出的曲線，強度峰值按試驗數值確定，其余數值點按照文獻[12]的材料本構曲線等比例調幅得到.受拉曲線、混凝土損傷系數均按照文獻[12]確定.C30混凝土本構關系曲線如圖6所示.

應變/10-6

圖6C30混凝土應力應變關系

Fig.6 Stressstrain relation of C30 concrete

3 數值計算結果與試驗結果比較

3.1 荷載位移滯回曲線比較

為了對比分析有限元數值計算結果與試驗結果的差異，圖7給出了部分剪力墻模型在墻頂反復水平力循環荷載作用下數值計算及試驗的荷載位移滯回曲線.圖中縱坐標為作用于墻頂的荷載V，橫坐標為對應的水平位移δ.

從荷載位移滯回曲線的比較分析可以看出，本文考慮初始幾何缺陷的有限元模型能夠準確模擬試件的實際受力狀態.但是，在試件進入破壞階段承載力下降時，由于不能完全考慮混凝土壓碎等因素，有限元計算曲線沒有明顯的下降段，在試件達到承載力以后計算結果不夠準確.

(a) 模型SCSW1

(b) 模型SCSW3

(c) 模型SCSW6

圖7 試驗與有限元荷載位移滯回曲線對比

Fig.7 The comparison of loaddisplacement hysteresis

curve of tests and finite element model



3.2 破壞模式比較

圖8為典型試件試驗得到的破壞模式，剪力墻底端附近兩側腹板出現鼓曲.圖9為相應模型有限元模擬計算得到的破壞模式.可以看出，兩者基本相同.不同的是，實際試驗加載中，在承載力下降段，由于豎向力的作用，鋼板剪力墻腹板出現了兩層鼓曲現象.



圖8 試件破壞模式

Fig.8 Failure mode of specimens



圖9 有限元分析得到的試件破壞模式

Fig.9 Failure mode of finite element model

從試驗現象和有限元分析結果可以推斷出雙層鋼板內填混凝土組合剪力墻的破壞模式.在水平力加載初期，鋼板與混凝土均處于彈性狀態，兩者共同受力、變形協調.當水平力加載到一定數值時，邊緣混凝土拉裂，初始剛度下降，隨后邊緣的鋼板屈服，多余的力轉移到邊緣混凝土上.當達到抗壓強度時，混凝土壓碎.由于鋼板的約束作用，混凝土強度雖然有些下降，但是還能繼續承載，這時構件的整體剛度開始下降，邊緣的鋼板已經進入強化階段，塑性區也逐步擴大.當水平力繼續加載時，邊緣的鋼板開始鼓曲，這時邊緣鋼板不能承擔原來的荷載，它所承擔的一部分荷載由靠近中和軸的部分繼續承擔.構件的剛度繼續下降.當剩余的截面不能抵抗繼續增加的荷載時，荷載位移曲線開始進入下降段，構件達到極限承載狀態.從試驗現象和有限元分析結果可看出，在小偏心軸力情況下，拉結筋符合一定間距要求時，構件材料屈服總是先于構件局部屈曲出現.

4 參數分析

從上述有限元數值分析與試驗結果的比較可看出，兩者吻合良好.因此，本節基于以上數值計算模型，以軸壓比、墻體高寬比、寬厚比為主要參數，采用Abaqus軟件研究低周反復荷載作用下雙層鋼板內填混凝土組合剪力墻水平荷載位移( PΔ) 骨架曲線的變化規律.本文算例的基本參數為：墻寬B=1 200mm，鋼板厚t=8 mm，螺栓間距和隔板間距取值與試驗模型相同，軸壓比參數變化為0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8，高寬比參數變化為1.2, 1.4, 1.8, 2.2, 2.6，寬厚比參數變化為4, 6, 8, 10, 12.圖10~圖15為計算得到的各參數對骨架曲線的影響.

由圖10和圖11可看出，高寬比H/B對承載力和初始剛度均有影響，隨著高寬比的增大，承載力逐漸下降，初始剛度也逐漸下降.當高寬比小于1.4時，骨架曲線在到達峰值荷載后略有上升；當高寬比大于1.4時，骨架曲線到達峰值荷載后開始下降.影響曲線近似呈拋物線形狀.這說明隨著高寬比的增大，試件失穩的可能性也在增加.試件逐漸由剪切破壞變為彎剪破壞.

Δ/mm

圖10 不同高寬比構件骨架曲線

Fig.10 The skeleton curve of component 

of different heightwidth ratio



H/B

圖11 高寬比對骨架曲線的影響

Fig.11 Effect of heightwidth ratio

on the skeleton curve

Δ/mm

圖12 不同軸壓比構件骨架曲線



Fig.12 The skeleton curve of component 

ofdifferent axial compression ratio



N

圖13 軸壓比對骨架曲線的影響



Fig.13 Effect of axial compression ratio 

on the skeleton curve



Δ/mm

圖14 不同寬厚比構件骨架曲線

Fig.14 The skeleton curve of component 

of different widththickness ratio



B/T

圖15 寬厚比對骨架曲線的影響



Fig.15 Effect of widththickness ratio

on the skeleton curve



由圖12和圖13可看出，軸壓比N對構件的初始剛度影響不大，但對曲線的形狀和峰值荷載大小有較大影響.當軸壓比小于0.2時，隨著軸壓比增加，構件峰值荷載略有上升，并且下降段下降緩慢；當軸壓比大于0.2時，隨著軸壓比增加，構件峰值荷載降低，并且曲線下降段變得陡峭.這說明軸壓使得構件的變形能力變差，特別當軸壓比大于0.2時，由于二階效應的影響，當承載力達到極限承載力后，構件性能迅速下降.

由圖14和圖15可看出，寬厚比B/T對構件承載力和初始剛度均有影響，但到達峰值時的位移基本相同.隨著寬厚比增加，承載力和初始剛度都有所降低.影響曲線近似呈拋物線形狀.這說明寬厚比越大，構件在水平力作用下越容易失穩，特別是對于“一”字型的剪力墻影響更加明顯.

5 結 論

1) 本文有限元數值計算結果與模型試驗結果吻合良好.因此，實際結構數值分析應考慮初始幾何缺陷的影響.

2) 剪力墻高寬比、寬厚比、軸壓比對其受力性能均有影響.隨著試件高寬比和寬厚比的增大，承載力都有下降趨勢，影響曲線近似呈拋物線形狀.軸壓比對其承載力的影響主要表現在0.2以后.當軸壓比小于0.2時，隨著軸壓比的增加，構件的峰值荷載略有增大，并且下降段下降緩慢.當軸壓比大于0.2時，隨著軸壓比的增加，構件峰值荷載降低，并且下降段曲線變得陡峭.

3) 高寬比、寬厚比是影響其初始剛度的主要因素.高寬比越小，初始剛度越大.寬厚比越大，初始剛度越大.軸壓比對構件初始剛度的影響很小.

致謝：感謝南通建筑工程總承包有限公司為本研究提供試件.

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