帶約束拉桿雙鋼板混凝土組合剪力墻抗震性能數值模擬及參數分析

程春蘭 周德源++朱立猛

摘要：為了研究帶約束拉桿的雙鋼板混凝土組合剪力墻的抗震性能，進行了16個該形式組合剪力墻的反復加載試驗，并采用OpenSees程序對帶約束拉桿的雙鋼板混凝土組合剪力墻試件進行數值模擬.在試驗及數值模擬的基礎上，對影響該形式組合剪力墻抗震性能的主要參數進行分析.結果表明，高寬比、軸壓比以及約束拉桿間距對剪力墻的抗震性能影響顯著.隨著高寬比的增大，組合剪力墻的初始剛度以及屈服荷載和峰值荷載減小顯著，其后期剛度退化和耗能能力降低；軸壓比對組合剪力墻抗震性能的影響主要表現在后期剛度的退化程度；約束拉桿間距的減小可以提高組合剪力墻的承載力，減弱后期的剛度退化程度，增大其耗能能力.

關鍵詞：雙鋼板混凝土組合剪力墻；抗震性能；數值模擬；高寬比；軸壓比；約束拉桿間距

中圖分類號：TU392.3 文獻標識碼：A

作為抵抗風或者地震作用的有效抗側力構件，剪力墻廣泛應用于高層建筑結構中.通常混凝土是傳統剪力墻結構體系中的主要材料，但隨著建筑高度的增加和建筑功能需求的提升，傳統的混凝土剪力墻需通過增大截面厚度來提高承載力和改善抗震性能，以此滿足結構設計的需要，但墻體厚度的增加不僅增加了結構的自重，使其在風或地震工況下的內力增大，而且對下部基礎設計提出了更高的要求，增加了建筑的總造價，同時過厚的墻體使建筑的使用面積減小，降低了建筑功能的使用效率.

雙鋼板混凝土組合剪力墻通過連接件將鋼板和混凝土有效地連接，使二者協同工作，相比傳統的混凝土剪力墻，減小了墻體的厚度；在結構受力上，雙鋼板混凝土組合剪力墻中混凝土作為鋼板的支撐，防止了鋼板的側向失穩，而鋼板的存在又約束了混凝土，使混凝土開裂后仍具有較好的承載力；同時，鋼板還可以作為澆筑混凝土時的模板，大大提高了施工的效率.對雙鋼板組合剪力墻的相關研究均表明其具有較好的承載力、較優越的抗震性能[1-8]，而該形式組合剪力墻在鹽城電視塔[9]以及核電工程領域[10]工程中的使用證明了其工程應用的可行性.

本文通過對16個帶約束拉桿連接的雙鋼板混凝土組合剪力墻的反復加載試驗研究以及數值模擬，進行相關參數分析，給出了影響該形式組合剪力墻抗震性能的主要因素.

1試驗結果

1.1試件參數

試驗共設計了16個帶約束拉桿雙鋼板混凝土組合剪力墻試件，試件編號為SC1～SC16.試件端部采用槽鋼連接兩側鋼板，其翼緣通過四或八螺母全牙拉桿與鋼板螺栓連接；試件中部兩側鋼板采用無牙約束拉桿對穿連接；試件腹側鋼板伸入基礎梁，同基礎以滿足固定邊界條件.其中SC8～SC10，SC15，SC16試件端部內置C型鋼對墻體端部進行加強.試件參數詳見表1.試驗加載裝置如圖1所示.典型試件橫截面構造如圖2所示.試驗均設計為水平低周反復加載擬靜力試驗，在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室進行.

1.2試驗結果

在低周往復荷載作用下，從各試件的試驗現象可以看出，約束拉桿對墻體性能改善明顯，使墻體鋼板與內部混凝土協同工作.在內部混凝土破壞加劇，發生橫向膨脹后，由于拉桿的拉結，鋼板很好地限制了墻體的變形，而端部內置型鋼可有效提高對混凝土的約束，改善端部槽鋼的屈曲性能.試件隨高寬比的變化，呈現出較為不同的破壞模式：高寬比為2.5的試件破壞集中在試件墻底截面端部，腹側鋼板局部屈曲，端部槽鋼翼緣或腹板局部屈曲，核心混凝土墻底截面兩端部位壓碎，墻底截面中間位置混凝土基本完好，混凝土墻身底部分布有橫向裂縫，呈“彎曲型破壞”；高寬比1.5與部分高寬比1.0的試件破壞集中在墻體底部整個截面區域，腹側鋼板局部屈曲甚至撕裂，端部槽鋼屈曲明顯甚至拉斷，核心混凝土墻體全截面壓碎，墻身分布有斜向受剪裂縫，呈“彎剪型破壞”；而部分高寬比1.0的試件，在試驗結束后剝除外側鋼板可以看出內部混凝土墻身出現明顯的對角斜向裂縫，呈“剪切破壞”.典型試件的破壞形態如圖3所示，各試件水平荷載位移滯回曲線見圖7.

C40×40×4×4注：表中軸壓比n為試驗軸壓比，按照n=N/（fcAc+fyAs）計算，其中，N為豎向荷載；fc為混凝土強度實測值；fy為鋼材屈服強度；Ac為混凝土截面面積；As為鋼材截面面積.

2OpenSees數值模擬與試驗對比

剪力墻受剪破壞的數值模擬分析一直是該類型構件非線性分析的難點，考慮到剪力墻構件其受力性能的平面特性，本文采用OpenSees非線性分析程序對帶約束拉桿雙鋼板混凝土組合剪力墻試件在低周往復荷載作用下的過程進行數值模擬.

2.1本構模型

OpenSees分析程序中提供了多種分析剪力墻構件的模型，本文采用文獻[11，12]中提出的循環加載軟化模型CSMM進行分析，該軟化模型是在軟化模型的基礎上考慮了循環加載的影響.

混凝土本構模型如圖4所示，該模型不僅可以考慮混凝土受壓時由豎向拉應變引起的軟化效應，而且可以考慮往復荷載作用下的軟化效應以及加載過程中裂縫的開裂和閉合.

剪力墻端部采用纖維單元模擬，其“纖維”由端部型鋼以及型鋼范圍內的混凝土構成，混凝土本構采用圖4所示模型.型鋼用等效鋼筋等代，考慮到嵌入混凝土中的型鋼受拉時，其周邊混凝土開裂后，裂縫之間的混凝土對型鋼的強化作用，參照OpenSees中對鋼筋的強化定義，采用平均應力和平均應變來定義纖維單元中型鋼的應力應變關系，如圖5所示.

對于受平面應力為主的腹側鋼板，其材料屬性采用J2（應力張量的第二不變量）材料本構，在OpenSees中為J2 Plasticity Material（Plane Stress Simplified J2）

計算模型中，端部槽鋼及截面端部內埋的型鋼采用基于位移的梁柱單元（Displacement Based BeamColumn Element）；腹側鋼板及核心混凝土均采用四節點平面單元（Quad Element）.模型底部節點設置為固結約束以模擬試件底座的邊界條件，端部槽鋼單元節點與同位置的混凝土單元邊緣部位的節點設置X及Y方向的位移約束；組合剪力墻中，混凝土墻與腹側鋼板在拉桿位置采用共節點連接，不考慮二者之間的粘結滑移.模型如圖6所示.

2.2數值計算結果與試驗對比

帶約束拉桿的雙鋼板混凝土組合剪力墻試件試驗滯回曲線與OpenSees數值計算結果對比如圖7所示.在組合剪力墻屈服之前，數值計算得出的滯回曲線與試驗滯回曲線基本吻合，二者相差不大，能較好地模擬試件的滯回特性；超過屈服荷載后的滯回環，數值計算得到的滯回曲線較試驗值略微飽滿，其原因可能為數值計算模型未能考慮鋼板和混凝土之間的粘結滑移，使曲線捏攏效應減小；同時，水平力達峰值進入下降段后，試驗曲線的退化剛度較計算結果偏大，其差值在18%左右，其原因可能為計算模型不能考慮鋼板的屈曲變形及螺栓連接破壞的影響，導致數值計算結果過高估計了剪力墻的后期剛度，使其耗能增加.

3帶約束拉桿雙鋼板混凝土組合剪力墻

抗震性能參數分析

基于數值計算和試驗結果，對帶約束拉桿的雙鋼板混凝土組合剪力墻進行參數分析，以得出影響該類剪力墻抗震性能的因素.

3.1高寬比的影響

以試件SC2參數為基礎，保持軸壓比及其它參數均不變，僅改變各計算模型的高寬比進行計算分析，得到各模型的滯回曲線，其骨架曲線示于圖8（a）中，圖8（b）為各模型峰值荷載Pu、屈服荷載Py和初始剛度K0隨高寬比變化的規律，圖8（c）為各計算模型退化剛度K-以及位移延性μ隨高寬比變化的規律.其中，屈服荷載Py采用Park法計算結果；將骨架曲線荷載下降到峰值荷載Pu的85%左右時的荷載定義為試件的極限荷載，Δd為荷載下降到85%Pu時對應的位移，則K-為各計算模型達到峰值荷載后卸載至0.85的平均剛度，位移延性系數μ為Δd與Δy的比值（下同）.

數值計算過程顯示，各模型頂點水平力達峰值時，腹側鋼板及端部槽鋼均發生屈曲，隨著高寬比的減小，各計算模型鋼板的屈曲范圍增大，屈服荷載和峰值荷載逐漸增大，相應的屈服位移以及峰值荷載所對應的位移也增大.從圖8（b）可以看出，高寬比對剪力墻的初始剛度和承載力影響顯著，當高寬比a從0.5增大到3.0時，各模型的峰值荷載和屈服荷載降低幅度達70%左右；在承載力達到峰值荷載后，各模型剛度總體上呈退化狀態，高寬比從0.5增大到1.0時剛度退化最為顯著，其降低幅度在50%左右，而高寬比從1.0增大到2.5的模型，剛度退化較小，其降低幅度在15%左右，可見，高寬比的減小，使剪力墻的相對耗能降低；從圖8（c）中延性系數隨高寬比的變化可以看出，計算模型所計算的位移延性系數均在2.6以上，延性較好，盡管隨著高寬比的增大，計算模型的延性系數呈降低趨勢，但從屈服以及峰值位移的絕對量來看，高寬比大的模型，其值均大于高寬比較小的模型，因此計算所得的位移延性系數值反而可能降低，但其相對比值的降低并不能表明高寬比較大的剪力墻，其延性較差.

3.2軸壓比的影響

以試件SC3參數為基礎，保持高寬比及其它參數均不變，僅改變各計算模型的軸壓比進行計算分析，得到各模型的滯回曲線，其骨架曲線示于圖9（a）中，圖9（b）為各模型峰值荷載Pu，屈服荷載Py和初始剛度K0隨軸壓比n的變化規律，圖9（c）為各計算模型退化剛度K-以及位移延性μ隨軸壓比變化的規律.

從數值計算結果可以看出：軸壓比的變化對模型的水平承載力有一定的影響，但影響程度有限：軸壓比從0.1增大到0.5，增大了4倍，計算模型的正向峰值荷載僅增大了約16%，負向峰值荷載僅增大了約8%，正向屈服荷載僅增大了約15%，負向屈服荷載僅增大了約12%，增長較小；而從圖9（b）中可以看出，各模型的初始剛度K0隨軸壓比的變化不明顯，軸壓比的增大對剪力墻的初始剛度影響不大.從圖9（c）各模型的退化剛度以及位移延性曲線可以看出，隨著軸壓比的增大，各模型的剛度退化趨勢加大，位移延性也相應地降低，從其數值計算過程也可以看出，當軸壓比較高時，豎向荷載作用下，剪力墻的PΔ效應增大，使其在達到峰值荷載后，墻體中下部變形加大，底部混凝土有壓潰趨勢，同時鋼板面外變形加大，導致各計算模型荷載下降明顯，但其位移延性系數仍在2.5以上，仍具有較好的變形能力，安全儲備較高.

3.3約束拉桿間距的影響

保持軸壓比為0.3不變，分別考慮高寬比為1.0和1.5的剪力墻模型，在改變約束拉桿間距b時的承載力及剛度的變化趨勢（拉桿間距b的變化范圍為50mm，100mm，150mm）.

各計算模型滯回曲線的骨架曲線以及承載力、剛度等隨約束拉桿間距b的變化對比結果示于圖10和圖11中.

從計算結果可知，各模型的承載力隨約束拉桿間距的增大而減小，退化剛度隨約束拉桿間距的增大而增大，位移延性隨約束拉桿間距的增大而降低.對比不同高寬比兩組模型的數值計算結果可以看出，約束拉桿間距的增大，對高寬比為1.5的模型比高寬比為1.0的模型影響稍大：當約束拉桿間距從50 mm增大到150 mm時，高寬比為1.5的模型其峰值荷載和屈服荷載分別下降了約23%和20%，而高寬比為1.0的模型下降了約19%和16%；高寬比為1.5的模型達到峰值后的剛度退化趨勢也較高寬比為1.0的模型稍大，但高寬比增大后，當約束拉桿間距從100 mm增大到150 mm時，其剛度退化減小，這可能是由于高寬比的增大，使剪力墻在水平荷載作用下的破壞模式發生了變化，結合試驗以及數值模擬的過程可以發現，高寬比為1.5的剪力墻，其破壞時，呈現出較為明顯的彎剪破壞的特征，其耗能能力較高寬比為1.0有所提高.

4結論

基于試驗研究和OpenSees數值模擬，對帶約束拉桿的雙鋼板混凝土組合剪力墻進行了影響其抗震性能的關鍵參數分析，主要結論如下：

1）試驗和數值計算的過程表明，組合剪力墻中鋼板對其承載力、剛度的貢獻顯著，隨著水平力的增大，鋼板分配的剪力逐漸增大，在加載的后期，剪力墻的承載力主要由鋼板承擔，使其仍保持較高的承載力以及較好的變形能力.

2）高寬比是影響帶約束拉桿的雙鋼板混凝土組合剪力墻抗震性能的重要參數.隨著高寬比的增大，帶約束拉桿的雙鋼板混凝土組合剪力的初始剛度以及屈服荷載和峰值荷載減小顯著，其后期剛度退化程度也隨剪力墻高寬比的增大而降低.

3）軸壓比的影響主要表現在達到峰值荷載后，剪力墻的剛度退化，軸壓比較高的墻體，其剛度退化程度加大，而軸壓比對剪力墻的初始剛度和承載力的影響均較小.

4）約束拉桿間距的變化，對高寬比較大的墻體較高寬比小的墻體影響稍大，其承載力隨約束拉桿間距的增大而減小，后期的剛度退化隨約束拉桿間距的增大而增大.

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