内填混凝土双钢板短肢组合剪力墙滞回性能研究

柳骏飞，赵宝成

（苏州科技学院江苏省结构工程重点实验室，江苏苏州215011）

内填混凝土双钢板短肢组合剪力墙滞回性能研究

柳骏飞，赵宝成

（苏州科技学院江苏省结构工程重点实验室，江苏苏州215011）

内填混凝土双钢板短肢组合剪力墙结构是一种新型的抗侧力体系，应用ABAQUS有限元软件分析了短肢剪力墙肢厚比、高跨比及钢板厚度变化对其滞回性能的影响。分析结果表明：剪力墙的高跨比变化对结构的滞回性能影响很大，高跨比的增大降低了结构承载能力和耗能能力，提高了结构的延性；混凝土厚度引起的肢厚比变化对滞回性能基本无影响，肢长引起的肢厚比变化影响较小；钢板厚度的增加在一定程度上可提高结构的滞回性能。

短肢剪力墙；双钢板剪力墙；滞回曲线；骨架曲线

短肢剪力墙结构体系[1]建筑平面布置灵活，应用于我国设防烈度较低的南方沿海地区，最初主要采用钢筋混凝土短肢剪力墙结构，其抗震性能较差，而我国大部分地区的抗震设防度在7度甚至8度以上[2]，为了提高短肢剪力墙的抗震性能，国内学者先后提出了多种组合剪力墙结构，如带暗支撑短肢剪力墙[3]、型钢短肢剪力墙[4]。郭震、袁迎曙[5]提出了钢框架短肢组合钢板剪力墙结构，利用两侧预制墙板对内嵌单钢板的约束，能够发挥钢板优良的滞回性能，从而改善了短肢剪力墙的抗震性能。

文献[5]提出的短肢组合钢板剪力墙结构仍存在不足：两侧预制墙板与内嵌钢板采用对拉螺栓连接，连接构造繁琐，加工精度要求高；内嵌钢板的宽厚比决定了预制墙板的工作效率，当宽厚比较小，钢板较厚时，所需的预制墙板的厚度较大，导致墙体整体较厚。针对以上两个问题，提出了内填混凝土双钢板短肢组合剪力墙结构，内填混凝土和双钢板间加劲肋限制了钢板面外变形，在减小墙板厚度的同时，保证了结构整体的抗震性能。为研究内填混凝土双钢板短肢组合剪力墙结构的抗震性能，在试验研究的基础上，应用ABAQUS软件对三层单跨内填混凝土双钢板短肢组合剪力墙结构进行低周往复循环加载作用下的模拟分析，研究了墙肢肢厚比、高跨比及钢板厚度等设计参数对结构滞回性能的影响。

1 有限元模型的建立

1.1 模拟试件设计

试件模型为三层，层高均为3.6 m，总高度10.8 m，结构梁、柱均采用H型钢，其中柱截面为HW450× 450×21×30，梁截面为H450×300×18×27。模拟试件的变化参数分别为墙肢肢厚比、高跨比，以及钢板厚度。短肢剪力墙设计依据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）[6]，并参考文献[7-8]中三片无翼缘和有翼缘短肢剪力墙结构试件低周反复荷载试验，肢厚比分别为6、6.5、7，高跨比分别为2.48、2.70、2.94；钢板厚度为3～15 mm。试件具体参数变化见表1～3。

表1 SJ系列模型参数变化)

表2 SJ系列模型参数变化Ⅱ

表3 试件参数

1.2 材料本构的选取

钢材采用Q235钢，本构模型依据Von Mises[9]屈服准则，采用如图1所示的三折线模型，该模型可以较好地模拟钢板的塑性性能。依据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）选取参数：屈服强度fy=235 N/mm2，抗拉强度fv=350 N/mm2，泊松比v=0.3，弹性模量E=2.06×105MPa。

模型采用C25混凝土，参考丁发兴等[10]提出的适用于不同等级的混凝土单轴和多轴受力情况下的本构关系，应力-应变曲线如图2所示。混凝土损伤塑性模型参数分别为泊松比取0.2，膨胀角取30°，偏心率取0.1，初始等效双轴抗压屈服应力与初始单轴抗压屈服应力的比值取1.16，受拉子午线与受压子午线的比值Kc取2/3，粘性参数μ取0.000 5。

图1 钢材应力-应变关系曲线

图2 混凝土应力应变关系曲线

1.3 几何模型

有限元模型的底板下表面完全固定，各层梁上翼缘面外约束。钢材及混凝土选用八结点线性六面体沙漏控制的实体单元C3D8R。混凝土网格尺寸为225 mm，钢材网格尺寸为90 mm,划分均采用中性轴算法。

1.4 相互作用的处理

混凝土与钢板之间的相互作用为摩擦作用，切向采用罚摩擦公式，法向为硬接触，摩擦系数0.6。以网格划分较粗的混凝土为主面，较细的钢材为从表面。

1.5 加载方案

有限元模型加载点位于顶层框架梁的端部。根据《建筑抗震试验方法规程》的要求，在有限元模拟进行滞回分析时，采用位移控制加载。考虑《建筑抗震设计规范》规定，往复荷载作用下层间位移角最大控制值为1/50。依据结构的单推曲线，利用几何法确定屈服位移Δy，采用的加载方案为：δ+/2～δ-/2对应一周；δ+～δ-对应一周；2δ+～2δ-对应二周；3δ+～3δ-对应二周……

2 有限元模型验证

按上述方法建立有限元模型，并与试验试件进行对比。试验试件两层半高，层高为1.2 m，总高度3.0 m，梁柱均采用高频焊接工字型截面，柱截面为H150×150×6×9，梁截面为H148×100×6×8，梁柱连接节点采用全焊连接。剪力墙单肢肢长、高度及厚度分别为390、1 052和60 mm，单肢肢厚比和高跨比分别为6.5和2.7，钢板厚度为3 mm，墙肢对称轴处设置加劲肋一道，试件几何尺寸见图3。

图3 SJ试件设计图

图4 SJ试验滞回曲线

图5 有限元模拟滞回曲线

由图4、图5可以看出试验和模拟得到的滞回曲线均光滑、饱满。试验中试件的受压极限位移为50.2 mm，对应极限荷载为379.7 kN，受拉极限位移为-50.7 mm，对应极限荷载为-387.3 kN；有限元模拟得受压极限位移为43.1 mm，对应极限荷载为406.4 kN，受压极限位移为-42.1 mm，对应极限荷载为-392.6 kN。对比可知极限荷载相差很小。分析结果表明试验与有限元吻合较好，可采用此模型进行后续参数化分析。

3 模拟结果分析

3.1 滞回曲线

模拟试件的滞回曲线形状相似，选取有代表性的滞回曲线如图6所示，由图6可见：（1）模型曲线均很饱满，表现出良好的耗能能力，同时说明内填混凝土的开裂、滑移或压溃对结构的整体刚度影响较小。（2）整个加载可分为四个阶段——弹性阶段结构的滞回曲线呈线性，承载力增长迅速，滞回环面积极小；弹塑性阶段承载力增长减缓，滞回环面积较小，增长较慢；塑性阶段承载力增长缓慢，滞回环面积快速增长；下降阶段承载力缓慢下降，结构延性良好。（3）从图6（a）可以看出，高跨比越小，结构极限承载力越高，耗能能力越强。（4）从图6（b）可以看出，肢长越长，结构极限承载力越低，耗能能力越差。（5）从图6（c）可以看出，钢板厚度越厚，结构极限承载力越高，耗能能力越强。

图6 SJ系列试件滞回曲线

3.2 骨架曲线

模拟试件的骨架曲线如图7所示，由图中可以得出如下结论。

（1）由图7（a）骨架曲线可以看出：模型SJ-2的极限承载力为407.3 kN，而模型SJ-5的极限承载力则达到了471.6 kN，相较于SJ-2增长了15.8%。表明在肢厚比相同的条件下，结构承载能力随着高跨比增大而降低，结构进入塑性的时间推迟，结构延性提高，结构破坏模式更接近弯曲破坏。

（2）由图7（b）可以看出：模型SJ-3、BASE和SJ-4的极限承载力分别为450.0、439.6和436.2 kN，承载力有小幅下降，最大为3%。表明在高跨比相同的条件下，內填混凝土厚度的改变对内填混凝土双钢板短肢剪力墙的影响很小，说明混凝土主要对钢板起侧向约束作用，对结构承载能力的贡献很小。

（3）由图7（c）可以看出：高跨比较大时，模型SJ-1的极限承载力为426.1 kN，而模型SJ-2的极限承载力为407.3 kN，相较于SJ-1降低了4.4%，表明肢长引起的肢厚变化比对结构承载能力具有一定影响，肢长越长，承载力越低；高跨比较小时，模型SJ-5的极限承载力为471.6 kN，而模型SJ-6的极限承载力为472.6 kN，较之于SJ-5基本不变，表明肢长引起的肢厚比变化对结构的承载能力没有影响。

（4）由图7（d）可以看出：模型SJ-7、SJ-8、BASE、SJ-9和SJ-10的极限承载力分别为402.4、425.3、439.6、455.0和462.6 kN，以SJ-7为基数，则承载力分别为100%、105.7%、109.2%、113.1%和115.0%。表明在高跨比、肢厚比相同时，钢板厚度的变化对结构的承载能力影响较大，随着钢板厚度的增加，结构的承载能力增加，但是增加的幅度越来越小。

图7 SJ系列骨架曲线

3.3 刚度退化

模拟试件的刚度退化曲线如图8所示，可以看出：（1）各个模型峰值刚度变化趋势基本一致。（2）图8（a）可以看出：SJ-2为62.44 kN/mm，随着高跨比的减小，结构的弹性刚度逐渐增大，至SJ-5为85.64 kN/mm，同比增长37.2%高跨比越小，结构的弹性刚度越大，高跨比对结构整体刚度影响很大。（3）从图8（b）、（c）中可看出，高跨比较小时，肢厚比对结构整体刚度基本无影响；高跨比较大时，肢长引起的肢厚比变化对结构整体刚度有影响。（4）从图8（d）可以看出，钢板厚度对结构整体刚度有影响，影响程度次于高跨比。（5）结构刚度在洞口连梁屈服前下降迅速，屈服后刚度下降趋于平缓。随着位移的增大，峰值刚度退化越来越不明显。

图8 SJ系列刚度退化曲线

3.4 耗能能力

模拟试件的耗能能力如图9所示，可以看出：（1）混凝土板厚引起的肢厚比变化对结构整体耗能影响不大。（2）由肢长引起的肢厚比变化，在高跨比较大时影响较大，高跨比较小时影响很小。（3）高跨比对结构整体耗能影响较大，高跨比越小，结构耗能能力越强；（4）钢板厚度对结构耗能能力同样具有影响，钢板越厚，耗能能力越强，但随着钢板厚度增加，耗能增长速度逐渐降低。

4 结论

应用有限元软件ABAQUS对内填混凝土双钢板短肢组合剪力墙结构进行滞回性能分析，分别研究了剪力墙的肢厚比、高跨比以及钢板厚度对滞回性能的影响。

（1）内填混凝土对整个结构的承载力、峰值刚度以及耗能均无突出贡献，其主要作用是约束钢板的面外变形。

图9 SJ系列结构耗能能力

（2）肢长引起的肢厚比变化对结构承载力、刚度和延性有一定影响，肢厚比越小，结构承载力越高，刚度越大，延性越好。建议在设计高跨比大于3的短肢剪力墙时，可以适当减小肢长以提高结构的极限承载力及整体刚度。

（3）高跨比对剪力墙结构承载力影响很大，高跨比增大降低了结构承载能力和耗能能力，提高了结构延性。

（4）钢板厚度的增加可以提高结构的承载力、抗侧刚度和耗能能力。随着钢板厚度的增加，提升的幅度逐渐减小，建议选择厚度较小的钢板。

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Research on hysteretic behavior of short-lamb couple-steel-plates shear-wall

LIU Junfei，ZHAO Baocheng
（Jiangsu Key Laboratory of Structure Engineering，SUST，Suzhou 215011）

The short-lamb couple-steel-plates shear-wall structure is a new type of lateral-force resisting system.Based on the ABAQUS finite element model,this paper studied the influence of the span-thickness ratio (STR)of short-lamb shear-wall and the depth-span ratio(DSR)on the hysteretic behavior.The results showed that the change of the depth-span ratio had great interaction to the behavior of structures,the increase of the depth-span ratio decreased the bearing and energy consuming of the structure,and the ductility of the structure was improved;and the varied ratio of thickness caused by the varied thickness of the concrete showed no interaction to the hysteretic behavior,and the varied ratio of thickness under the high depth-span ratio presented little interaction to the structure.The increase of the thickness of steel-plate improved the hysteretic behavior of the structure in some degree.

short-lamb shear-wall;couple-steel-plates shear-wall;Hysteretic curve;skeleton curve;aseismic suggestion

TU392.4

A

1672-0679（2015）04-0042-05

（责任编辑：秦中悦）

2015－04-08

柳骏飞（1990-），男，江苏江阴人，硕士研究生。

赵宝成（1970-），男，内蒙古赤峰人，教授，博士，从事钢结构抗震性能研究，E-mail:zhaobc2000@163.com。