波形板混凝土組合墻抗震性能的有限元分析

吳 濤，楊 旭，彭劍鋒，高 怡，胡 鋼

(蘇州科技大學土木工程學院,江蘇 蘇州 215011)

波形鋼板混凝土組合墻是基于平鋼板混凝土組合墻發展起來的一種新型組合結構，主要有兩種構造形式：波形鋼板的內置和外置。波形鋼板的內置可以為外包混凝土提供單向約束，可以提高混凝土的強度和延緩其剝落，同時混凝土可以增強波形板防屈曲能力，增強延性；波形板的外包可以提高約束混凝土的強度和延性，同時波形板與混凝土的黏結力可以延緩波形板的鼓曲。由于兩者的組合效應顯著的特點，其廣泛應用于各種結構體系當中。

近年來，有很多學者對波形鋼板混凝土組合墻進行了大量研究。2001年，Wright[1-2]和Hossain等[3]為了研究壓型鋼板與混凝土的組合受力效果，設計制作了壓型鋼板外包混凝土的組合剪力墻試件，并對試件進行了水平荷載下的往復加載。試驗結果顯示，壓型鋼板在加載過程中極易發生局部屈曲，造成壓型鋼板與混凝土的組合效應不明顯，試件承載力較低。2011年，Mydin[4]和Prabha等[5]對雙層波紋鋼板混凝土組合剪力墻進行了軸壓力學性能的研究，結果顯示邊緣約束件的設置能夠提高組合墻的極限承載力，設置對拉螺栓能夠對波形鋼板起到限制鋼板鼓曲的作用。2015年，Rafiei等[6]對雙層波紋鋼板組合剪力墻進行了抗剪性能的研究，分析混凝土強度、鋼板強度和約束構件對組合剪力墻抗剪能力的影響研究。研究結果顯示，采用高強度混凝土和鋼板可以提高組合剪力墻的抗剪承載力，適當設置約束構件可防止波紋鋼板早期彈性屈曲造成的破壞。2018年開始，王威等[7-9]課題組先后研究了水平、豎向放置的波形鋼板-混凝土組合剪力墻與平鋼板-混凝土組合剪力墻在抗震性能上的差異，并利用ABAQUS軟件對其軸壓性能進行非線性分析，然后采用ANSYS軟件對波形鋼板-混凝土組合剪力墻進行了參數化分析，結果表明，波形鋼板水平、豎向放置的組合剪力墻比平鋼板的鋼板與混凝土的黏結效果強，混凝土剝落程度低。2018年，王凱杰[10]為了研究波紋鋼板相較于平鋼板的性能優勢，對一個雙層平鋼板-混凝土組合剪力墻和兩個雙層波紋鋼板-混凝土組合剪力墻進行了低周往復加載試驗，對比分析了三個試件的破壞模式和抗震性能。結果顯示，采用波紋鋼板代替平鋼板可以提高組合剪力墻的承載力、耗能能力及延性。2019年，費建偉等[11]研究了波形鋼板組合墻在不同邊界條件下的彈性屈曲能力，給出了臨界力公式。2020年，清華大學郭彥林等[12]對剪力墻的發展和受力機理進行了系統的綜述，著重闡述了波形鋼板剪力墻及其組合墻的多種形式的設計理論和研究成果。2021年，張馮霖等[13]提出一種L形雙波紋鋼板混凝土組合剪力墻，試驗結果表明，該類型組合剪力墻屬于壓彎破壞，抗震性能良好。王宇偉等[14]課題組對T形截面波形鋼板-混凝土組合墻的研究進展進行了闡述，介紹了截面強度穩定承載力計算公式，分析了波形鋼板組合墻的有限元建模方法。孫志楊等[15]采用有限元分析了波形鋼板組合墻的穩定性和螺栓抗剪能力，結果表明混凝土與波形鋼板的協同工作可以分擔螺栓的抗剪承受力，提高組合墻穩定性。李清華等[16]采用數值模擬對波形鋼板混凝土組合墻進行了分析，并與平鋼板組合墻進行對比，分析結果顯示，波形鋼板混凝土組合墻的抗震性能優于平鋼板，工字形雙層波形鋼板組合墻的抗震性能>T形>L形。葉昕等[17]研究了雙波紋鋼板-混凝土組合剪力墻在爆炸作用下的破壞特征，考慮波紋對齊方式、密度及深度等參數對組合剪力墻抗爆性能的影響。陳宗平等[18]對比分析了平鋼板與波形鋼板混凝土組合剪力墻的抗震性能及其影響因素，結果顯示，波形鋼板組合剪力墻的抗震性能較好，軸壓比和剪跨比對組合剪力墻的承載力與初始剛度有較大影響。

目前，我國對于波形鋼板混凝土組合墻的研究應用較多為高層結構，本文基于國家大力推進新農村建設的需要和順應國家著力發展裝配式建筑的趨勢，課題組提出了采用兩塊波形鋼板對扣波谷接觸部分螺栓連接而波峰形成暗柱空腔的墻體骨架，再在暗柱空腔和波谷內澆筑混凝土的新型雙層波形板-混凝土組合墻，采用有限元軟件ABAQUS研究波形鋼板的不同組合類型對其組合墻抗震性能的影響。

1 試件設計

試件高度選為1.2 m。組合墻兩端設置有邊緣約束構件，考慮波形鋼板截面尺寸等影響，采用100 mm×60 mm×4 mm和100 mm×40 mm×4 mm兩種與波形鋼板截面一致的槽鋼作為組合墻的邊緣約束構件，能夠有效避免引起組合墻變形不一致等不利影響。波形鋼板規格選用YXB-50 mm-180 mm-720 mm，鋼板厚度為2 mm，槽鋼與波形鋼板均選用Q235鋼材。組合墻由4塊相 同規格的波形鋼板對扣波谷接觸部分螺栓連接，而波峰形成暗柱空腔的墻體骨架，再在暗柱空腔和波谷內澆筑混凝土組成新型雙層波形板-混凝土組合墻，對拉螺栓直徑采用8 mm，且對拉螺栓在波谷處留有一定長度，可以增強波形鋼板與混凝土的黏結力，提高兩者的共同工作性能。試件所用澆筑混凝土選用C25細石混凝土。試件與加載梁、地梁的連接通過連接件進行連接，連接件由兩塊厚6 mm鋼板和一塊厚20 mm的鋼板焊接而成，如圖1所示。通過高強螺栓把組合墻與加載梁、地梁和連接件共同組裝。具體各部件的組成及材料使用情況見表1。

表1 構件組成

2 有限元模型的建立

2.1 設計參數

考慮波形鋼板組合類型建立兩個組合墻模型，圖2為波形鋼板組合類型尺寸詳圖，組合墻設計參數見表2。

表2 模型試件參數

2.2 模型組裝

按照設計尺寸分別建立波形鋼板、混凝土、對拉螺栓、高強螺栓、連接件、邊緣槽鋼件、地梁及加載梁，其中波形鋼板為殼單元，其余部件采用實體單元，按照步驟將各部件組裝為組合墻體，單元劃分網格后的模型見圖3。

2.3 接觸面和邊界條件處理

混凝土分為波峰腔和波谷腔兩部分，波形鋼板與波峰腔混凝土表面采用綁定連接，波谷腔混凝土與波形鋼板接觸面的切向接觸采用庫侖罰摩擦，法向接觸定義為“硬接觸”，接觸摩擦系數取0.6；對拉螺栓內嵌在混凝土內部，且螺帽與波形鋼板綁定連接；波形鋼板與槽鋼采用綁定連接；連接件與地梁、加載梁采用綁定連接，高強螺栓螺桿表面與混凝土孔洞表面、連接件表面接觸為“硬接觸”，螺帽與連接件接觸表面摩擦系數為0.3。本模型中地梁為完全固定，即約束X,Y,Z三個方向的自由度和轉動自由度。在加載梁中心設置一個參考點RP-1，該參考點與加載梁中間截面耦合約束，通過約束參考點RP-1的Y方向自由度和X,Z方向的轉動自由度，以此來保證墻體和加載梁發生平面內的轉動。

2.4 材料本構

本模型中混凝土本構采用GB 50010—2010混凝土結構設計規范(2015年版)[19]中所示的混凝土單軸應力-應變關系曲線。鋼材本構選取雙折線模型。

2.5 分析步與加載方案

本模型共有3個分析步：Step1為預緊力的施加，通過螺栓荷載來設置；Step2為軸壓力的施加，保持預緊力恒定，對加載梁參考點RP-1施加不同軸壓比下的豎向荷載；在Step3中施加水平往復荷載，保持預緊力與豎向荷載恒定，對耦合點RP-1按位移加載方式進行加載：分別取試件整體相對側移的0.375%(5 mm)，0.5%(7 mm)，0.75%(10 mm)，1.0%(14 mm)，1.5%(21 mm)，2.0%(28 mm)，2.5%(36 mm)，3.0%(44 mm)進行加載。因為材料屬性定義的特殊性，ABAQUS模型的破環特征不會隨加載級內循環次數增加而發生改變，本模擬所有加載級僅循環一圈。

3 模擬參數分析

3.1 滯回曲線

圖4為兩個試件的滯回曲線對比，試件DCSW2的承載力幅值大于試件DCSW1。加載初期，兩個試件滯回曲線均呈線性，卸載后基本可以回到坐標原點，無殘余變形；進一步加載，墻角出現應力集中，混凝土局部壓潰，出現殘余變形，滯回環面積增大；加載至δ=1%時，波谷腔混凝土逐漸剝落，波峰腔底部混凝土壓碎，有明顯的“捏縮”，曲線變得平緩，滯回環包圍面積加大，耗能增強；進一步加載至結束，波谷腔混凝土剝落和波峰腔混凝土壓潰范圍逐漸擴大，試件承載力上升緩慢，捏縮效應顯著，耗能不斷增強。

3.2 骨架曲線

圖5為兩個試件的骨架曲線對比圖，從圖5可明顯看出試件DCSW2的承載力高于試件DCSW1。當試件層間位移δ=2%時，試件DCSW2的荷載是試件DCSW1的1.2倍，結果表明，波形板的組合類型對組合墻的承載力影響較大，空腔暗柱越大，組合墻的承載力越高，表明暗柱是組合墻的主要抗側力構件。

3.3 抗側剛度退化

由圖6可知：暗柱尺寸較小的試件DCSW1的初始峰值剛度為70.14 kN/mm，暗柱尺寸較大的試件DCSW2的初始峰值剛度為83.67 kN/mm,由此可見，試件DCSW2的剛度要比試件DCSW1的剛度大，這是由于波形板波峰形成空腔暗柱尺寸的不同導致組合墻的水平承載力有所區別，當試件在水平荷載下，波峰腔混凝土由于被波形鋼板包圍，處于三向受壓的狀態，提高了混凝土的受壓性能；試件加載至墻體側移δ=0.375%時，峰值剛度退化22%，這是因為隨著加載的進程，墻體角部波谷腔混凝土逐漸脫落和波峰腔混凝土壓潰失效，墻體整體性遭到破壞導致的組合墻剛度退化；隨著水平位移的增加，混凝土受損逐漸累積，波形鋼板逐漸屈服變形，墻體底部螺栓群周圍的混凝土和波形鋼板在循環荷載作用下累積變形破壞，直至加載至墻體側移δ=2%時，峰值剛度退化75%；隨著側移的繼續增加，墻體混凝土脫落和壓潰范圍進一步擴大至墻體中部，波形鋼板變形進一步增大，墻體底部混凝土大面積壓潰，剛度退化加快，直至加載結束。

3.4 耗能能力

耗能能力是衡量結構抗震性能的重要指標。本文將采用等效黏滯阻尼系數ζeq來作為衡量結構耗能能力大小的指標。由圖7可知，雙層波形板-混凝土組合墻試件DCSW1在加載初期，其耗能主要來自于混凝土骨料之間的擠壓以及墻體角部小部分混凝土的壓碎；加載至側移δ=0.5%時，各試件耗能較小，是因為隨著墻體位移的增大，水平荷載也在逐漸增加，組合墻受壓區也在逐漸擴大，混凝土的損傷得到緩沖，因此耗能不大；隨著進一步加載，組合墻波谷腔混凝土逐步壓潰發揮耗能減震功效，墻體角部混凝土由于反復拉壓遭到破壞，局部混凝土被壓潰耗能，被壓潰的波峰腔混凝土由于被波形鋼板和邊緣槽鋼件包裹，并未脫離墻體，在下一次加載中相互擠壓提供耗能，直至加載結束；從圖7中還可以看出，試件DCSW1的耗能較優于試件DCSW2，分析其原因，是因為試件DCSW1的波形板波峰形成空腔暗柱尺寸較小，同時波形鋼板配合形成的波谷空腔尺寸比試件DCSW2大，而組合墻在加載過程中很大一部分的耗能是由波谷腔混凝土的剝落所提供的。

3.5 應力分析

試件混凝土最小主應變云圖和波形鋼板應力云圖如圖8所示。

試件受理進程中均表現為波谷腔混凝土率先剝落，組合墻轉化為暗柱結構抗側，隨后波峰腔混凝土逐步壓潰，波形鋼板屈服變形，直至破壞。試件DCSW1的波形鋼板屈服變形比試件DCSW2明顯，表明暗柱尺寸較小的組合墻中波形鋼板貢獻比例較大。

4 結論

1)波形板波峰形成空腔暗柱是影響雙層波形板-混凝土組合墻抗震性能的重要因素，空腔暗柱大，組合墻的水平承載力和抗側剛度提高，而耗能能力減弱。

2)組合墻抗震性能良好，各試件受理進程均表現為波谷腔混凝土率先剝落耗能，組合墻轉化為波峰形成的暗柱抗側，隨后波峰腔混凝土逐步壓潰失效。