带缝钢板外包混凝土剪力墙性能研究

俞福利,蒋 路,王伟栋

(1.西安建筑科技大学,陕西西安710055;2.同济大学,上海201900;3.宝钢股份研究院(技术中心),上海201900)

0 前 言

带缝钢板墙(steel plate shear wall with slits,简称SPWS)最早由日本学者Hitaka[1]等提出,是指在钢板上开设一系列竖缝形成的抗侧构件。带缝钢板墙可以通过竖缝调节刚度和承载力,结构布置灵活,适用于高烈度区,具有较好的延性和耗能能力。但实验和大量的有限元分析发现,在发生整体屈曲后,带缝钢板墙的延性和耗能指标将有所降低,为延缓、解决带缝钢板墙面外屈曲,同时解决钢板墙建筑防火、消除钢板的响声等问题,提出外包混凝土带缝钢板墙的构想并对其进行有限元分析研究。

带缝钢板墙外包混凝土是指在带缝钢板墙两侧浇注一定厚度的钢筋混凝土板而形成的组合墙体,通过贯穿与缝间的拉结筋将两侧混凝土板相连,使得外包混凝土板约束内置钢板的整体屈曲。外包混凝土板同时还能解决钢板墙建筑防火、消除钢板的响声等问题。2003年Hitaka[1]和Matsui对4组10片1/3和1/4缩尺比例的带竖缝钢板剪力墙进行了试验研究,通过对钢板宽厚比、竖缝设置位置和尺寸、钢板有无加劲肋和外包砂浆板等试验参数的分析表明:外包砂浆板的带缝钢板剪力墙,在最大层间侧移角达到3%时,滞回曲线仍然未见明显降低,刚度、承载力、延性以及滞回性能等方面较加劲肋的钢板墙有更优越的性能。1995年,同济大学李国强、张晓光、沈祖炎[2]通过对3个钢板外包混凝土剪力墙试件和1个纯钢板剪力墙试件的模型试验表明,钢板外包混凝土剪力墙与钢板剪力墙相比,具有良好的稳定性能和延性性能,同时刚度和强度也大大提高。清华大学郭彦林教授提出一种新型钢板外包混凝土墙——防屈曲钢板剪力墙[3],它由内嵌钢板及两侧的预制混凝土盖板构成,并做了7个不同试件的试验研究,试验表明防屈曲钢板剪力墙比一般组合钢板剪力墙、纯钢板剪力墙在极限承载力、滞回特性、延性方面得到了很好的改善,并且混凝土板在加载过程中始终完好。

2006年,宝钢Living Steel项目部对带缝钢板墙进行了专题研究[4]。目前,该课题组已完成两批足尺寸SPWS试件的低周往复加载试验,第一批试验结果表明,有混凝土外包的带缝钢板墙在初始刚度、极限承载力均有所提高,外包混凝土对钢板整体屈曲起到了一定延缓作用,钢板墙表现出更好的延性和耗能能力。

本文采用有限元软件ANSYS,对12 mm厚纯带缝钢板墙(SPWS)和钢板外包混凝土墙(C-SPWS)两个模型进行了数值模拟,对比分析了外包混凝土对钢板墙初始刚度、极限承载力、延性和耗能方面的影响,得出带缝钢板外包混凝土组合墙体的一些有价值结论。

1 建立有限元模型

分析模型的几何尺寸同宝钢带缝钢板剪力墙试验构件[5]。纯带缝钢板墙分析模型参数如图1(a)所示。C-SPWS主钢板与SPWS完全相同,只是在钢板墙两侧外包2 000 mm×1 910 mm×44 mm钢筋混凝土板,板内布置的Φ 6@210钢筋网(图1(b)),单层双向配筋板内,配筋率均为0.01。

图1 模型尺寸参数

使用通用有限元软件ANSYS进行分析。本文涉及钢材、钢筋和混凝土3种材料。钢板的单元类型采用solid185;钢板和钢筋本构取理想弹塑性模型,钢材为Q235,屈服应力取为fy=235 MPa,弹性模量E=2.06×105MPa,本构关系如图2(a);屈服准则采用VonMises屈服准则。混凝土采用solid65,本构关系则用单轴受压应力-应变曲线(Hognestad模型)[6],混凝土弹性模量E=2.8×104MPa,单轴抗压fc=16.7MPa,单轴抗拉ft=1.78 MPa,本构关系如图2(b);破坏准则采用Willam-Warnker五参数模型,分析中没有考虑混凝土的压碎,即采用W-W五参数模型时,单轴抗压强度取-1;采用整体式建模方法建立混凝土模型,单层双向配筋,配筋率按实验采用。

图2 材料模型图

用ANSYS中的接触单元来模拟考虑混凝土和钢板之间相互作用,钢板前后两个面采用CONTAC174单元,混凝土内表面采用目标单元TARGE170模拟。按照试验试件设计要求,钢板和混凝土板用一层机油隔开,分析过程中不考虑混凝土板和钢板之间摩擦作用,即接触面只传递法向压力,切向摩擦力为0。对钢板与混凝土板连接模拟采用节点自由度耦合,三者始终同时工作。

模型边界条件:钢板底部约束全部自由度,顶端约束UZ,ROTX,同时耦合UX、UY。最终模型如图3所示。

图3 有限元模型图

2 有限元分析

2.1 抗剪承载力和弹性刚度

图4为承载力和刚度曲线。由图可知,钢板墙外包混凝土后抗剪极限承载能力和弹性刚度分别提高了54%和16.7%。提高原因分析如下:

刚度:加载前期,由于混凝土板和钢板之间不考虑摩擦,在层间转角很小的情况下,混凝土对钢板墙的前期刚度贡献不大。

承载力:混凝土板抑制了钢板的整体屈曲和局部小柱的屈曲,钢板墙始终处于面内受力,使得钢板墙充分的进入塑性;钢板墙随着层间位移的不断加大,混凝土跟着钢板一起移动,出现一定程度上的剪切变形,所以对SPWS抗剪极限承载力上有所贡献。

图4 承载力刚度曲线

2.2 整板屈曲变形

对模型进行单调加载分析。图5为层间位移角为θ=1/200、θ=1/30时模型的面外变形结果。由图5可知,钢板墙外包混凝土后整体面外变形由58mm减小到4.5mm,显著减小,混凝土板有效地约束了钢板面外变形,由此可知,外包混凝土板改变了SPWS的屈曲模式,由原来的整板屈曲模式变成局部小柱屈曲为主,即使得SPWS的屈曲模态向高阶模态推移,屈曲荷载必然有所提高且受力的均匀性更好[7]。

图5 SPWS和C-SPWS的面外位移云图对比

2.3 延性和耗能

对以上建立的SPWS和C-SPWS模型进行同一循环荷载下加载分析,得出如图6滞回曲线。由图6(a)中可知,SPWS在50 mm荷载级下滞回环开始出现“捏拢”现象,主要是SPWS在加载过程中出现较明显的整板屈曲造成的。C-SPWS由于有外包混凝土约束面外变形,没有出现明显的整板屈曲变形,滞回曲线未出现捏拢现象而更为饱满(图6(b))。

图6 循环荷载作用下滞回曲线

图7是层间转角分别为 θ=1/300、θ=1/30时模型Von Mises应力云图对比。加载前期,SPWS应力发展主要集中在缝端(图7(a)),并以缝端为中心比较均匀的向外扩散,达到极限荷载时,缝间小柱中部区域也未达到屈服,而C-SPWS由于混凝土板的侧向约束作用,起初也主要在缝端应力集中,可是随着层间转角的增大,屈服趋势由缝端向中部延伸(图7(b)),塑性发展更加充分,使得小柱抗弯承载力继续小幅度提高,屈服区域明显大于SPWS,所以在极限承载力上,C-SPWS会大于SPWS。

图7 SPWS和C-SPWS的应力云图对比

3 结 论

本文通过有限元软件对12 mm厚纯带缝钢板墙(SPWS)和带缝钢板外包混凝土墙(C-SPWS)两个模型进行了数值模拟,得到以下结论:

(1)带缝钢板墙外包混凝土后抗剪承载力和弹性初始刚度将显著提高;

(2)混凝土板对钢板整体屈曲能起到良好的约束效果,带缝钢板墙滞回曲线的捏拢现象有了明显改善,塑性发展更加充分,抗震性能有所提高。

[1]Hitaka Toko,Matsui Chiaki.Experimental study on steel shear wall with slits[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,2003,129(5):586-594.

[2]李国强,张晓光,沈祖炎.钢板外包混凝土剪力墙板抗剪滞回性能试验研究[J].工业建筑,1995,25(6):32-35.

[3]郭彦林,董全利,周 明.防屈曲钢板剪力墙滞回性能理论与试验研究[J].建筑结构学报,2009,30(1):31-39,47.

[4]宝山钢铁股份有限公司.同济大学.北京赛博思工业化住宅集成系统工业有限公司.带缝钢板剪力墙研究[R].上海:同济大学,2008.

[5]蒋路,陈以一,汪文辉,等.足尺带缝钢板剪力墙低周往复加载试验研究I[J].建筑结构学报,2009,30(5):57-64.

[6]梁兴文,王社良,李晓文.混凝土结构设计原理[M].北京:科学出版社,2004.

[7]郭彦林,董全利,周 明.防屈曲钢板剪力墙弹性性能及混凝土盖板约束刚度研究[J].建筑结构学报,2009,30(1):40-47.