鋼纖維體積摻量對RC剪力墻承載力影響研究

李 飛，胡嘉明

(1.蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011；2.國網寧夏電力檢修公司，寧夏 銀川 750011)

0 前 言

傳統RC剪力墻通常作為高層建筑的主要抗側構件，雖然具有抗側剛度大、承載力高等優點，但變形能力和耗能能力差。鋼纖維RC剪力墻是在 RC剪力墻的基礎上，在混凝土中加入適量鋼纖維后得到的一種剪力墻結構，可以在一定程度上改善RC剪力墻的抗震性能。

近年來，國內外學者對鋼纖維RC剪力墻進行了一系列研究，Eom等[1]通過試驗研究發現鋼纖維的摻入顯著提高了RC剪力墻的抗震性能。杜興亮[2]通過7塊RC剪力墻的試驗研究發現，由于鋼纖維的摻入，RC剪力墻的抗裂性能得到有效改善，抗剪承載力、抗側剛度、延性和耗能能力也得到了有效提高，同時，鋼纖維的加入改變了RC剪力墻的破壞模式。趙軍等[3]通過擬靜力試驗研究發現，與普通RC剪力墻相比，鋼纖維RC剪力墻的滯回曲線趨于飽滿，延性和耗能能力明顯提高。趙軍等[4]對4片高寬比為1∶1的剪力墻試件進行擬靜力加載試驗，研究發現，鋼纖維的阻裂效果明顯，鋼纖維的加入使得RC剪力墻的滯回曲線趨于飽滿，延性和耗能能力明顯改善，并給出了延性和耗能能力的計算結果。尤培波[5]提出了一種鋼管混凝土邊框鋼纖維高強混凝土新型剪力墻，并進行擬靜力加載試驗，研究結果表明，鋼纖維的加入改變了裂縫形態，提高了剪力墻的抗震性能，并提出了該新型剪力墻的承載力計算方法。

本文在ABAQUS已有混凝土損傷塑性模型基礎上，結合前人研究，給出了鋼纖維混凝土的損傷塑性模型。采用ABAQUS對鋼纖維RC剪力墻的力學性能進行研究，考察了鋼纖維體積摻量和配筋率對其承載力和抗側剛度的影響。

1 有限元模型的建立

1.1 BASE試件設計

本文設計的BASE試件墻體寬度為1 350 mm，高為950 mm，厚度為60 mm，混凝土強度等級為C30，鋼纖維體積摻量為0.5%，分布鋼筋角度為0°/90°，鋼筋直徑為6 mm，等級為HPB235，鋼筋間距為120 mm，并設置暗梁暗柱。

1.2 材料本構

1)混凝土材料本構。徐禮華[6-7]結合鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土的試驗結果，在過鎮海[8-9]建議的混凝土應力-應變關系曲線方程的基礎上，通過理論分析獲得了鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土的單軸應力-應變關系。本文通過忽略鋼-聚丙烯混雜纖維中所對應的聚丙烯纖維的參數，得到了鋼纖維混凝土的單軸應力-應變關系。

(1)單軸受壓應力-應變[10]關系按式(1)～(6)計算：

(1)

x=εc/εfc0,y=σc/ffc

(2)

(3)

(4)

ffc=fc(1+0.206λsf)

(5)

(6)

式中，ffc、fc分別為鋼纖維混凝土和普通混凝土的軸心抗壓強度；εfc0為鋼纖維混凝土軸心抗壓強度的峰值應力應變；λsf為鋼纖維特征值，λsf=Vsf(lsf/dsf),其中，Vsf為鋼纖維體積分數；lsf/dsf為鋼纖維的長徑比；參數a的取值范圍為1.5≤a≤3，當a=1.5時，取a=1.5，當a>3時，取a=3。

(2)單軸受拉應力-應變關系[11]按式(7)～(13)計算：

σ=(1-d1)Eftε

(7)

(8)

α1=ξ11.2(1+0.265λsf)

(9)

(10)

fft=fmt(1+0.366λsf)

(11)

εft=εmt(1+0.498λsf)

(12)

x=ε1/εft0,ρ1=fmt/Eftεft0

(13)

式中，fft和fmt分別為鋼纖維混凝土和相同配合比下混凝土軸心抗拉強度；εft0和εmt分別為鋼纖維混凝土和相同配合比下混凝土基體軸心受拉峰值應力應變；λsf為鋼纖維特征值，λsf=Vsf(lsf/dsf)。其中，Vsf為鋼纖維體積分數；lsf/dsf為鋼纖維的長徑比；Eft為鋼纖維混凝土彈性模量[12]按公式Eft=(1.751+0.652fft)×104計算；ξ1、ξ2為修正系數。當混凝土基體為C30時，取ξ1=1.02，ξ2=0.97。

混凝土損傷塑性模型(CDP)中，剪脹角(Dilation Angle)、流動勢偏移值(Eccentricity)、雙軸極限抗壓應力與單軸極限抗壓力比值(fb0/fc0)、拉壓子午面上第二應力不變量的比值(K)以及粘塑性參數(Viscosity Parameter)這些參數均按普通混凝土取值。

除了以上參數，CDP模型還要求提供混凝土受壓應力-非彈性應變關系以及受壓損傷因子，和混凝土受拉應力-開裂應變關系以及受拉損傷因子。混凝土受壓應力-非彈性應變關系可由單軸受壓應力-應變關系求得，混凝土受拉應力-開裂應變關系可由單軸受拉應力-應變關系求得，損傷因子D由《混凝土設計規范》(GB50010—2010)[13]中的損傷參數d根據文獻[14]推薦的式(14)計算確定：

(14)

2)鋼材本構。鋼材本構關系采用雙折線隨動強化模型。其中，鋼材的屈服強度fy、極限強度fu、彈性模量Es均采用材性試驗結果，鋼材的泊松比取0.3。

1.3 單元類型

混凝土、槽鋼連接件和鋼框架采用8節點線性減縮積分六面體實體單元C3D8R，鋼筋采用2節點線性三維桁架單元T3D2。

1.4 相互作用

鋼框架與槽鋼連接件采用“Tie”約束，用來模擬焊接。槽鋼連接件與鋼筋均“Embedded”在鋼纖維混凝土墻中。鋼纖維混凝土墻板與鋼框架之間的切向采用摩擦接觸，法向采用“硬”接觸。在鋼梁中間位置的上部創建參考點RP-1，并與鋼框架上表面“Coupling”。

1.5 邊界條件

鋼框架下部所有自由度施加了位移約束；對耦合點(RP-1)處施加U1方向位移來模擬所施加的水平位移，施加U3方向位移約束模擬側向支撐。

2 結果分析

為評估鋼纖維體積摻量對鋼纖維RC剪力墻受力性能的影響，設計了鋼纖維摻量(Steel Fiber Proportion)系列，鋼纖維體積摻量分別為0%和1%，試件編號為SFP-1和SFP-2。

1)骨架曲線。圖1給出了SFP系列試件的骨架曲線。

圖1 SFP系列骨架曲線

由圖1可知，BASE、SFP-1、SFP-2試件的峰值荷載分別為348.76、331.13、358.04 kN。可以發現，隨著鋼纖維體積摻量的增加，鋼纖維RC剪力墻的水平承載力有一定程度的增加。

3 結 論

鋼纖維體積摻量對鋼纖維RC剪力墻的水平承載力影響較大，隨著鋼纖維體積摻量的增加而增加。

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