組合剪力墻的抗震性能有限元對比分析

葉 珊

（同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，中國 上海200092）

0 概述

鋼筋混凝土高層建筑通常由梁、柱、樓板和剪力墻及筒體等構(gòu)成。剪力墻又稱抗震墻，由于其抗側(cè)力剛度大，具有良好的延性和耗能能力，是一種有效的抗側(cè)力構(gòu)件，在高層建筑中得到廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在隨著我國人口的迅速增加，涌現(xiàn)出越來越多的超高層建筑，同時隨著建筑高度的增加，底部剪力墻需要承擔的豎向荷載和水平荷載都越來越大，但是為保證剪力墻的延性，需要嚴格控制剪力墻的軸壓比和混凝土強度等級，因此只能通過增加剪力墻的厚度。但是過厚的剪力墻不僅施工復(fù)雜，而且導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的自重增大，這將增大了結(jié)構(gòu)的地震作用。因此普通的鋼筋混凝土剪力墻已經(jīng)難以滿足現(xiàn)超高層結(jié)構(gòu)所需承擔的荷載和傾覆力矩。綜上所述，在普通鋼筋混凝土剪力墻的基礎(chǔ)上進行改進以改進其性能是十分必要和迫在眉睫的。

本文研究一種帶約束拉桿的雙層鋼板-內(nèi)填混凝土組合剪力墻[1]（本文簡稱SCSW剪力墻），此種組合的鋼板混凝土組合剪力墻具有較高的承載力和較好的抗震性能，能更好的發(fā)揮鋼材和混凝土的材料特性。本文針對SCSW剪力墻和傳統(tǒng)鋼筋混凝土剪力墻做了有限元計算對比分析，證明了帶約束拉桿鋼板-混凝土組合剪力墻具有更高的承載力，更好的抗震性能以及較大的經(jīng)濟效益。

1 對比試件概況

1.1 試件參數(shù)

1.1.1 傳統(tǒng)剪力墻

大連理工大學(xué)的李宏男教授等人做了9片鋼筋混凝土剪力墻在低周反復(fù)荷載作用下的試驗研究[2]。其中有一組高寬比為1.5的傳統(tǒng)剪力墻，墻體邊緣設(shè)置暗柱，暗柱配筋率為4.5%，箍筋為6.5@150，墻體縱向鋼筋配筋率為0.4%，水平配筋率為0.37%，混凝土的設(shè)計強度等級為C30，其他設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 試件參數(shù)

1.1.2 帶拉桿鋼板-混凝土組合剪力墻

本文的模型為高寬比為1.5的SCSW剪力墻的1/8縮尺模型。鋼板采用Q235強度等級的碳素鋼，鋼板厚度3mm，端部槽鋼為［80×40×6，約束拉桿采用直徑為6mm的4.8級全牙拉桿，內(nèi)填混凝土的設(shè)計強度等級為C30，其他設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 試件參數(shù)

2 有限元模型的建立

鋼板與混凝土組合成的SCSW組合構(gòu)件是依賴鋼材和混凝土各自的特性及相互之間的協(xié)同工作。同濟大學(xué)朱立猛等人對帶約束拉桿鋼板-混凝土組合剪力墻進行試驗研究，試驗現(xiàn)象為：SCSW組合剪力墻有在水平荷載反復(fù)循環(huán)作用下，內(nèi)部混凝土先開裂，腹側(cè)鋼板局部屈曲加劇，側(cè)腹鋼板與端部槽鋼螺栓連接破壞，端部槽鋼根部腹板和翼緣屈曲，腳部混凝土壓碎掉落出[1]。由此可見構(gòu)件在加載后期將呈現(xiàn)較為明顯的非線性，故可采用非線性有限元軟件ABAQUS來模擬受力變形過程。為與對比文獻能有更接近的尺寸，從而更直觀的對比，本文采用1/8縮尺模型建立。

2.1 材料本構(gòu)模型選取

2.1.1 混凝土材料本構(gòu)模型

混凝土標號為C30，選用Damaged Plasticity模型，受壓受拉的本構(gòu)關(guān)系及損傷按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010的相關(guān)規(guī)定選取[3]。

2.1.2 鋼材本構(gòu)模型

鋼材選用經(jīng)典金屬塑性理論的各向同性彈塑性材料模型，在多軸應(yīng)力狀態(tài)下滿足Von Mises屈服準則及相關(guān)流動法則。

2.1.3 界面模型鋼板和混凝土之間的界面模型均由法線方向的硬接觸和切線方向的庫倫摩擦模型的粘結(jié)滑移構(gòu)成。

2.1.4 單元選取

內(nèi)部核心混凝土選用C3D8，即三維八節(jié)點實體單元；側(cè)腹鋼板及端部槽鋼選用四節(jié)點殼單元S4；約束拉桿采用三維線性桿單元（T3D2）。

3 計算結(jié)果分析

SCSW剪力墻通過有限元軟件ABAQUS的擬靜力加載模擬計算后，模型的應(yīng)力分布情況如圖1。

圖1 有限元計算結(jié)果顯示

從ABAQUS中分別提取出SCSW組合剪力墻SC1、SC2、SC3的水平推力-位移的數(shù)據(jù)，與對比文獻[2]中模擬的傳統(tǒng)鋼筋混凝土剪力墻SJ-4、SJ-5、SJ-6模型的水平推力-位移的數(shù)據(jù)進行對比，如圖2。由兩組試件的墻頂水平力-位移曲線知，試件在荷載作用下，經(jīng)歷了彈性、塑性和極限破壞三個受力階段。在屈服和極限破壞階段，兩組剪力墻的抗側(cè)一剛度均有所退化，但普通剪力墻的剛度退化更為明顯。這兩組尺寸相似，高寬比一樣，軸壓比一致的剪力墻，在水平荷載作用下，SCSW組合剪力墻的初始剛度和極限承載力明顯大于傳統(tǒng)剪力墻。SCSW剪力墻的初始剛度約為傳統(tǒng)剪力墻的6倍，承載力約為4倍。兩組剪力墻，初始剛度和極限承載力均隨著軸壓比的增加而有所增大。

圖2 SCSW剪力墻與傳統(tǒng)剪力墻的水平力-位移曲線

圖3 SCSW剪力墻與傳統(tǒng)剪力墻的η-位移曲線

但是考慮到SCSW剪力墻的含鋼量大于傳統(tǒng)鋼筋混凝土剪力墻的含鋼量，為能在更接近條件下比較兩者在達到極限荷載后所表現(xiàn)的延性及抗震性能，現(xiàn)引入一個系數(shù)η，本文暫稱其為承載力退化系數(shù)，即為水平承載力與極限承載力之比。取出軸壓比均為0.1的SCSW組合剪力墻試件SC1和傳統(tǒng)剪力墻試件SJ-4做承載力退化系數(shù)-位移曲線如圖3。由圖3知，在試件達到屈服荷載（取為極限承載力的75%[4-5]，即η=0.75時）后系數(shù)η的增長速度有較為明顯的下降，說明試件進入屈服階段。在試件達到極限荷載（η=1.0）后，承載力退化系數(shù)η-位移曲線開始下降，說明試件進入了極限破壞階段。由兩條曲線對比知，進入極限破壞階段后，傳統(tǒng)剪力墻SJ-4的承載力退化的比SCSW組合剪力墻SC1更快，更嚴重。

4 結(jié)論

本文基于通用有限元軟件ABAQUS，分別將帶拉桿鋼板-混凝土組合剪力墻和傳統(tǒng)鋼筋混凝土剪力墻的水平力-位移曲線、承載力退化系數(shù)-位移曲線進行對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）SCSW剪力墻的抗側(cè)承載力遠大于與其尺寸、自重相近的傳統(tǒng)鋼筋混凝土剪力墻的抗側(cè)承載力，約高3倍。可知SCSW剪力墻能滿足相似尺寸下傳統(tǒng)剪力墻所不能滿足的超高層建筑中結(jié)構(gòu)所需的抗水平荷載能力和抗傾覆力的要求。

（2）在剪力墻試件達到極限承載力后，SCSW剪力墻的承載力退化程度要緩于傳統(tǒng)剪力墻。可知，SCSW剪力墻的抗震性能要強于傳統(tǒng)剪力墻，更適合用于超高層等結(jié)構(gòu)。

［1］朱立猛,周德源,赫明月.帶約束拉桿鋼板-混凝土組合剪力墻抗震性能試驗研究[J].建 筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2013,34(6)：93-102.

［2］李宏男,李兵.鋼筋混凝土剪力墻抗震恢復(fù)力模型及試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2004,25(5)：35-42.

［3］GB50010-2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

［4］呂西林,董宇光,丁子文.截面中部配置型鋼的混凝土剪力墻抗震性能研究[J].地震工程與工程振動,2006,26(6)：101-107.

［5］過鎮(zhèn)海,時旭東.鋼筋混凝土原理和分析[M].北京：清華大學(xué)出版社,2003.

［6］Rabbat,B.G.and Russell,H.G.Friction coefficient of steel on concrete or grout[J].Journal of Structural Engeering,1985,111(3)：505-515.

［7］朱立猛.帶約束拉桿鋼板-混凝土組合剪力墻抗震性能研究[D].上海：同濟大學(xué),2013.