内置钢管混凝土组合剪力墙变形性能分析

李亚娥,曹　喆,汪凡凡,王子龙

(兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州　730050)



内置钢管混凝土组合剪力墙变形性能分析

李亚娥,曹喆,汪凡凡,王子龙

(兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州730050)

摘要内置钢管混凝土组合剪力墙是一种新型组合剪力墙。运用ABAQUS有限元软件对普通钢筋混凝土剪力墙和内置钢管混凝土组合剪力墙两种形式建立计算模型,进行了在高轴压比下的低周反复加载分析,研究其破坏形态、变形能力、滞回性能、应变分布等变形性能。通过对比分析,得出内置钢管混凝土组合剪力墙具有较好的变形性能,并给出工程结构设计中的一些建议。

关键词剪力墙;钢管混凝土;变形性能;高轴压比;滞回曲线

剪力墙作为高层建筑结构中的核心抗侧力构件,为了提高其抗震性能,可采用在普通钢筋混凝土剪力墙中加入钢骨[1-4],形成钢-混凝土组合剪力墙的方法来提高其承载力与延性,进而改善剪力墙的抗震性能[5],适用于高层及超高层建筑结构体系。近年来对于组合剪力墙的研究越来越多,剪力墙变形能力的好坏对结构的安全特别是地震安全至关重要,在不同形式的钢骨中,由于圆钢管能够对管内混凝土提供有效约束而具有较好的抗震效果[6]。杨光等[7]研究了边缘构件和截面中部配置多根钢管的组合剪力墙。曹万林等[8]研究了将圆钢管设为边框的剪力墙。而对于均布圆钢管的组合剪力墙,目前的研究还较少。为此我们对内置钢管混凝土组合剪力墙与普通钢筋混凝土剪力墙的变形性能进行了对比分析研究。

1计算模型的确定

1.1模型尺寸

研究设计了2个剪力墙模型,1个普通钢筋混凝土剪力墙模型(SW1)和1个内置钢管混凝土组合剪力墙模型(SW2),均按照一级剪力墙设计。模型均为矩形截面,截面高度为1 600 mm,截面厚度为200 mm,墙体高度为3 000 mm,截面高厚比为8.0,模型剪跨比为1.88,按照高墙设计。为了方便加载与实现嵌固,在墙体顶端设置加载所用的钢性加载梁,在墙体底部设置固定所用的钢性地梁。模型如图1所示。

图1　剪力墙模型Fig.1　Model of shear wall

1.2模型的建立

图2　剪力墙模型截面配筋(mm)Fig.2　Reinforcement drawing of cross section of shear wall model(mm)

模型的钢材力学性能主要参数见表1,其中,试件SW2的钢管全截面含钢率均为3.00%,设计轴压比均超过了0.45,钢管内、外混凝土均按照C50级设计,钢筋和钢管的本构关系见表2。

表1　钢材力学性能

表2　钢材本构关系定义

1.3确定轴压比

关于钢管混凝土组合剪力墙的轴压比计算方法,现行规范中有三种规定,为了揭示轴压比的影响,选用型钢规程和冶标进行计算。型钢和冶标中规定,用钢骨混凝土剪力墙的轴压比计算钢骨的贡献,即考虑钢管的贡献。计算公式为

(1)

其中:N表示考虑地震作用组合时轴压力设计值;fcc、fc分别表示钢管内、外混凝土的轴心抗压强度;fa表示钢管的屈服强度;A表示全截面面积;Acc表示钢管内混凝土面积;Aa表示钢管截面积;套箍指标θ=faAa/fccAcc。计算设计轴压比时材料强度均采用设计值,轴压比限值规范中规定:一级时,9度不宜大于0.4,7度、8度时不宜大于0.5;二级时不宜大于0.6。加载的轴压力、设计轴压比见表3,为大偏压受力状态。

表3 　轴压力、设计轴压比

1.4加载制度和加载曲线

首先加载轴向力,加载时,一次均匀加到指定值,在模拟过程中保持不变,加载于上钢梁截面形心位置;然后加载往复水平荷载,加载时,水平荷载通过截面中心,采用循环往复加载,按照位移控制的模式分级进行,加载制度如表4所列,其中1～4级为屈服前加载,5～10级为屈服后加载。屈服前每级循环1次,屈服后每级循环3次。模型的加载曲线如图3所示。

2结构模型分析

2.1模型加载过程

在高轴压比设计下,SW1的最终破坏形态属于典型的压弯作用下大偏压构件受弯破坏。模型中未设置钢管,因此破坏过程较为突然,模型因丧失承载力而破坏。SW1模型破坏如图4(a)所示。SW2模型破坏如图4(b)所示,破坏形态较为特殊,在极限荷载之前,它表现出典型的压弯破坏特征,而在极限荷载之后,表现出类似开缝墙的破坏形态,具体说来,剪切斜裂缝主要出现在墙体中间位置,特别是钢管与钢管之间的区域,大多数斜裂缝由水平弯曲裂缝向中间倾斜延伸形成,与水平方向夹角约45°,两个方向斜裂缝基本对称,钢管对斜裂缝的发展有明显的限制作用;钢管保护层粘结裂缝出现在部分中部钢管的保护层较薄处,是一系列较短的交叉斜裂缝,沿竖向平行分布。SW2在粘结裂缝处的混凝土保护层最终脱落破坏,形成类似于“分体柱”破坏模式。

表4　加载制度表

图3　加载曲线Fig.3　Loading curve

图4　模型破坏形态Fig.4　Ailure mode of model

2.2滞回曲线与骨架曲线

模型顶点水平力-位移滞回曲线如图5所示。内置钢管混凝土组合剪力墙的滞回曲线比较饱满,无明显捏拢现象,表现出压弯破坏特征。在模型开裂前,曲线基本保持了线弹性状态,无残余变形;当混凝土开裂后,抗侧刚度迅速降低,卸载后出现残余变形;到峰值荷载(位移角达到1/100)时滞回曲线稳定,单圈面积明显增大,表示耗能能力大幅上升。普通剪力墙在位移角达到1/75水平下第三圈加载时因受压区突然破坏而加载结束;模型SW2在位移角达到1/50后出现了“分体柱”的模式,模型从整体墙过渡到了5个分体柱,位移角达到1/40时,承载力已下降50%,几乎完全依靠于钢管承担轴力和弯矩,在加载后期体现出较为稳定的滞回性能,承载力稳定,剪力墙的等效粘滞阻尼明显提高,表现出较好的延性耗能能力,说明钢管的作用很明显。

图5　顶点水平力-位移滞回曲线Fig.5　Top lateral load-displacement hysteretic curve

模型顶点骨架曲线如图6所示。从图6可以看出,加载初期两个模型的骨架曲线趋势基本吻合,在相同的高轴压比的情况下,加入钢管后剪力墙的承载力和延性都有了较为明显的提高。

2.3变形能力与延性

表5是剪力墙变形与延性模拟结果,屈服位移Δy根据模型顶点水平力-位移骨架线按通用屈服弯矩法确定;峰值位移Δp是模型承载力达到峰值时顶点水平位移;极限位移Δu定义为模型承载力降低到85%峰值荷载时的位移,如果加载结束时承载力仍未降低到85%峰值荷载,则取最大加载位移来作为极限位移;位移角定义为θ=Δ/H,位移延性比定义为μ=Δu/Δy。

图6　模型的骨架曲线Fig.6　Skeleton curve of model

模型编号加载方向屈服位移/mm屈服位移角/rad峰值位移/mm峰值位移角/rad极限位移/mm极限位移角/rad位移延性/mmSW1正向7.11/38718.21/15036.61/745.22反向6.61/42513.61/20135.91/755.63SW2正向9.51/28836.21/7555.41/495.89反向12.91/20935.91/7546.21/593.59

从表5可以看出,加入钢管以后,剪力墙各阶段变形值均有了较为明显的提高,说明钢管的存在有利于提高剪力墙变形能力。在模拟中,内置钢管混凝土组合剪力墙的屈服位移角约为1/330～1/220,峰值位移角为1/100～1/75,而极限位移角基本达到了1/50,极限变形能力比普通钢筋混凝土剪力墙提高了25%左右。可以说,内置钢管混凝土组合剪力墙在高轴压比下的变形能力不仅满足抗震要求(根据《建筑抗震设计规范》[9]的规定,钢筋混凝土抗震墙的弹塑性位移角限值为1/120),而且与普通钢筋混凝土剪力墙相比,具有更好的抗震性能。

3结论

通过普通钢筋混凝土剪力墙模型和内置钢管混凝土组合剪力墙模型在高轴压比下的低周反复加载对比分析,得到以下结论:

(1)内置钢管混凝土组合剪力墙的破坏过程更为平缓,钢管对剪力墙的变形能力、破坏延性以及抗倒塌性能有较为明显的提高作用。

(2)加入钢管后,剪力墙最大加载位移明显提高,表现出更好的延性,墙底混凝土的压坏和钢筋的压屈程度明显减轻,未出现墙体因受压区混凝土压碎而下沉的现象。

(3)钢管的存在明显提高了剪力墙的变形能力,在轴压比相近的情况下,钢管混凝土组合剪力墙的屈服位移角为1/330～1/220,峰值位移角为1/100～1/75,极限位移角达到了1/50,极限变形能力也比普通钢筋混凝土剪力墙提高了25%左右。

参考文献:

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[3]曹万林,张建伟,陶军平,等.内藏桁架混凝土剪力墙与钢桁架抗震性能比较[J].北京工业大学学报,2007,33(1):31-36.

[4]王敏,曹万林,张建伟,等.钢管混凝土边框高强混凝土组合剪力墙抗震性能实验分析[J].地震工程与工程震动,2008,28(2):90-95.

[5]廖飞宇,陶忠,韩林海.钢-混凝土组合剪力墙抗震性能研究简述[J].地震工程与工程震动,2006,26(5):130-135.

[6]钱稼茹,江枣,纪晓东. 高轴压比钢管混凝土剪力墙抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2010,31(7):40-48.

[7]杨光,赵作周,钱稼茹,等.新型钢管混凝土组合剪力墙抗震性能研究[J].建筑结构,2014,44(7):93-98.

[8]曹万林,杨亚彬,张建伟,等.圆钢管混凝土边框内藏桁架剪力墙抗震性能[J].东南大学学报:自然科学版,2009,39(6):1 187-1 192.

[9]中华人民共和国建设部.GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[10]李亚娥,徐利华.钢管混凝土排柱剪力墙的框筒结构抗震性能分析[J].甘肃科学学报,2010,22(2):87-90.

Deformation Performance Analysis of Composite Shear Wall of Concrete with Steel Tube Filled

Li Ya’e,Cao Zhe,Wang Fanfan,Wang Zilong

(SchoolofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China)

AbstractThe composite shear wall of concrete with steel tube filled involves the new composite shear wall. The shear wall of the ordinary reinforced concrete and the composite shear wall of concrete with steel tube filled were subjected to the low cyclic repeated loading analysis in presence of high axial compression ratio after setting up the calculation model by using ABAQUS finite element software in order to research the deformation performance thereof,such as failure mode,deformation capability,hysteretic behavior,strain distribution,etc. Moreover,that the composite shear wall of concrete with steel tube filled had excellent deformation performance was concluded,and some suggestions in design of engineering structure were proposed through comparative analysis.

Key wordsShear wall;Concrete with steel tube filled;Deformation performance;High axial;Hysteretic currve

中图分类号:TU398+.2

文献标志码:A

文章编号:1004-0366(2016)01-0115-05

作者简介:李亚娥(1965-),女,陕西西安人,副教授,硕士生导师,国家一级注册结构工程师,研究方向为复杂高层建筑结构.E-mail:caojj358@126.com.

收稿日期:2014-10-25;修回日期:2014-12-24.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.01.025.

引用格式:Li Ya’e,Cao Zhe,Wang Fanfan,etal.Deformation Performance Analysis of Composite Shear Wall of Concrete with Steel Tube Filled[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(1):115-119.[李亚娥,曹喆,汪凡凡,等.内置钢管混凝土组合剪力墙变形性能分析[J].甘肃科学学报,2016,28(1):115-119.]