一种新型组合剪力墙抗震性能ABAQUS分析★

于传鹏 曹万林 黄友强 董宏英 刘 嗥

(1.国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100095； 2.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

一种新型组合剪力墙抗震性能ABAQUS分析★

于传鹏1曹万林2*黄友强1董宏英2刘 嗥2

(1.国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100095； 2.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

采用ABAQUS软件，建立了适应钢管混凝土边框内置分块钢板组合剪力墙构造特点的有限元模型，并对该新型组合剪力墙结构进行了弹塑性分析，结果表明：采用新型剪力墙可达到建筑物沿高度变承载力、变刚度的目的，综合抗震效果好。

组合剪力墙，ABAQUS，抗震性能，承载力

0 引言

钢—混凝土组合剪力墙作为高层建筑的主要抗侧力构件，承担着大部分水平地震作用，研发高性能组合剪力墙是目前抗震设计中极为关注的关键科学与技术问题，相关学者对此进行了研究。杨光、赵作周等进行了1个双钢管混凝土边框内藏双钢管混凝土暗柱组合剪力墙以及1个单钢管混凝土边框内藏多根分散单钢管暗柱剪力墙试件在高轴压比下的抗震试验，表明：与普通剪力墙相比，两种新型剪力墙抗震耗能能力均有所提高，第一种带双钢管混凝土剪力墙性价比最好[1]。聂建国等研究了高剪跨比、高轴压比下的双钢板剪力墙的抗震性能，分析了双钢板剪力墙的变形能力，给出了承载力计算公式[2-4]。曹万林等进行了5个钢管混 凝土边框内藏斜撑肋钢板中高剪力墙抗震性能试验，研究表明：这种墙体适宜在“强边框、弱墙体”情况下应用，可明显减轻边框钢管底部损伤，延缓墙体性能退化，提高组合剪力墙的抗震能力[5]。

本文所提新型剪力墙：钢管混凝土边框内置分块钢板组合剪力墙。它由钢管混凝土边框，型钢暗柱、分块钢板及钢筋混凝土墙体四部分组合而成。小震时，钢筋混凝土墙体作为第一道抗震防线分灾耗能，延缓核心结构损伤；中震时，分块钢板作为第二道防线消能减震；大震时，型钢柱作为第三道防线保证震后稳定。图1为钢管混凝土边框内置分块钢板组合剪力墙核心结构示意图。

1 模型试件设计

设计了4种不同构造的钢管混凝土边框内置分块钢板组合剪力墙试件，墙厚100，墙高960 mm，墙宽740 mm，墙体横向竖向钢筋均为Φ4@100。边框钢管均采用□140×4的Q345方钢管，中部暗柱均采用H140×60×8×10的Q345H型钢，分块钢板采用Q235钢材(板厚为4)，混凝土强度C45。各试件区别在于型钢暗柱与钢管边框柱之间的联系形式，其中CFWB1不设置分块钢板(柱间无联系)，CFWB2沿高均匀设置2道分块钢板，CFWB3沿高均匀设置3道分块钢板，CFWB4沿高焊接整体钢板。试件材性见表1，表1中fy为屈服强度，fu为极限强度，Es为弹性模量。

表1 钢材力学性能 MPa

2 数值模拟

2.1 模型建立

1)本构模型。利用ABAQUS6.11-1对钢管混凝土边框内置分块钢板组合剪力墙进行弹塑性有限元分析。钢材的本构参照规范[6]，采用二折线理想等向弹塑性模型；混凝土采用ABAQUS提供的损伤塑性模型，受压应力σ—应变ε曲线如图2所示。

2)单元选取与网格划分。边框钢管、型钢暗柱、分块钢板及混凝土均采用8节点三维减缩积分实体单元C3D8R，并采用六面体的结构化网格划分技术，钢筋采用2节点的三维桁架单元T3D2，基础、加载梁为刚体，网格划分如图3所示。

3)接触模拟。钢管边框与混凝土墙体接触界面的法向采用“硬接触”，切向采用库仑摩擦模型，摩擦系数取0.2；上下端的部分边框钢管和型钢中柱、钢板深梁、钢筋网片嵌入(embedded)整体模型中；混凝土墙体及边框钢管核心混凝土与刚性基础、刚性加载梁的接触面采用绑定(tie)约束。

4)边界条件与加载。刚性基础的底端完全固接；加载时，在第一个分析步中先将竖向荷载施加于加载梁，并在随后整个水平加载过程中保持不变；在第二个分析步中的水平荷载采用顶部位移控制，将水平位移采用一次性加载的方式施加于加载梁中部至1/50位移角结束，此时已达到规范允许钢筋混凝土剪力墙极限弹塑性位移角的2.4倍。模型最终建立形态如图4所示。

2.2 计算分析

2.2.1 特征荷载与骨架曲线

模拟所得特征荷载如表2所示，承载力增幅曲线如图5所示，模拟骨架曲线如图6所示。其中，Fy为试件屈服荷载；Fu为试件极限荷载；F1为CFWB1的极限荷载；U为试件顶点水平位移，内置钢板用钢率定义为，分块钢板(或整体钢板)用钢体积与剪力墙总用钢体积之比值，4试件分别对应为0,3.17%,4.68%,10.61%。

表2 屈服荷载和极限荷载

试件编号Fy/kNFu/kN实测值比率实测值比率Fy/FuCFWB1283．671．000329．971．0000．861CFWB2336．151．185393．691．1930．854CFWB3390．801．378460．711．3960．848CFWB4480．291．693546．121．6550．879

由表2，图5，图6可知：1)CFWB1分块钢板用钢为0，CFWB2比CFWB1分块钢板用钢多3.17%，结果CFWB2较CFWB1屈服荷载提高18.50%，承载力提高19.30%，表明：通过增设分块钢板来提高剪力墙特征荷载的效果是明显的。2)从图5可以看出，从CFWB1至CFWB2，CFWB2至CFWB3，CFWB3至CFWB4，三段直线斜率不同，其中以CFWB2至CFWB3直线段斜率最大，表明分块钢板存在最优化布置问题，CFWB3布置较为合理。3)CFWB3的屈强比最小，强度保证率较高。4)CFWB3分块钢板用钢为CFWB4整体钢板用钢的44.13%，承载力却达到了CFWB4的84.36%，表明分块钢板剪力墙较整体钢板剪力墙性价比更好。5)从图6可以看出，1/50位移角时，4试件承载力均未下降，表明有约束的弹塑性变形时段较长，屈服延性耗能能力较好。6)综上，内置钢板的用钢对剪力墙整体抗震性能影响明显。

2.2.2 云图分析

各试件的钢构应力云图对比与混凝土损伤云图对比如图7所示。其中，图7a)为CFWB1钢构应力云图；图7b)为CFWB1混凝土墙体损伤云图；图7c)为CFWB2钢构应力云图；图7d)为CFWB2混凝土墙体损伤云图；图7e)为CFWB3钢构应力云图；图7f)为CFWB3混凝土墙体损伤云图；图7g)为CFWB4钢构应力云图；图7h)为CFWB4混凝土墙体损伤云图。

由图7可知：1)钢管混凝土边框内置分块钢板剪力墙CFWB2,CFWB3在钢管边框、型钢柱与混凝土墙体连接界面处形成了4条明显的竖向损伤条带，由于分块钢板的存在，使其变形特性介于整体剪力墙和带竖缝剪力墙之间，并克服了其承载力小的不足，保持了带竖缝剪力墙延性好的优势。2)CFWB2较CFWB1柱子端部的损伤明显减轻；分块钢板沿45°方向损伤变形屈服，消耗了地震能量，有效的保护了钢管边框与型钢暗柱。3)CFWB1，CFWB2的混凝土墙体在中部高度位置均有损伤，CFWB1较CFWB2损伤严重，这是由于其核心钢构部分较弱，对钢筋混凝土墙体约束作用不强，墙体的整体性、各部件的协同工作性能均不如CFWB2。4)CFWB3比CFWB4柱脚的损伤轻，分块钢板虽较整体钢板用钢量少，但却起到了“强型钢柱、弱钢板梁”的作用，抗震分灾作用更好。5)核心结构最强试件CFWB4的混凝土墙体部分几乎无损伤，各组合部件之间承载力、刚度、延性不匹配，混凝土墙体作为第一道抗震防线的耗能能力未得到充分发挥，对抗震不利。

2.3 工程适用性分析

为研究钢管混凝土边框内置分块钢板组合剪力墙的工程适用性，设计了一集钢桁架、分块钢板、整体钢板三种不同抗震形式为一体的组合剪力墙核心骨架模型，可沿建筑物高度变承载力、变刚度，且节省钢材，设计图及有限元建模如图8所示。

仍采用顶部位移控制的加载方式，至1/50位移角结束，加载至1/100位移角时应力云图如图9a)所示，1/50位移角时应力云图如图9b)所示，最终骨架曲线如图10所示。

由图8～图10可知：1)结构的刚度、承载力及重力分配由顶部至底部依次减小，这与地震力的分布相匹配。2)1/100位移角时，顶部的钢桁架、中部的分块钢板均全截面屈服，底部的整体钢板也部分区域屈服，但边框钢管达到屈服的区域较少，主要集中在柱脚。表明，钢材屈服的先后顺序为钢桁架、分块钢板、整体钢板、边框钢管，这种延性屈服机制可以有效的保护钢管柱与型钢柱，以确保结构抗震后期足够的承载力与稳定性。3)1/50位移角时，核心钢构整体屈服，各组成部件钢材的抗震耗能能力充分发挥，耗能主要组成有：钢桁架、分块钢板、整体钢板剪切耗能，钢管边框、型钢中柱弯曲耗能，钢管混凝土芯开裂闭合耗能及各部件连接界面相互作用耗能，结构的综合抗震耗能性能好。4)结构的骨架曲线平稳，无下降趋势，震后的承载力较高，工作性能稳定。

3 结语

1)该新型组合剪力墙克服了带竖缝剪力墙承载力和刚度小的不足，保持了带竖缝剪力墙延性好的优势，实现了组合部件刚度、强度、延性的合理匹配。2)优化选择分块钢板设计参数可提高剪力墙抗震性能。3)整体钢板、分块钢板、钢桁架联合应用，可达到沿建筑物高度变承载力、变刚度的目的，综合抗震能力好。

[1] 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试验研究[J].建筑结构学报,2014,44(7):93-98.

[2] 卜凡民,聂建国,樊健生.高轴压比下中高剪跨比双钢板—混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2013,34(4):91-98.

[3] 胡红松,聂建国.双钢板—混凝土组合剪力墙变形能力分析[J].建筑结构学报,2013,34(5):52-62.

[4] 马晓伟,聂建国,陶慕轩,等.双钢板—混凝土组合剪力墙压弯承载力数值模型及简化计算公式[J].建筑结构学报,2013,34(4):99-106.

[5] 董宏英,张文江,曹万林,等.钢管混凝土边框内藏带斜肋钢板中高剪力墙抗震性能试验[J].地震工程与工程震动,2013,33(3):148-154.

[6] GB 50010—2010,混凝土结构设计规范[S].

Analysis on seismic behavior of a new kind of composite shear wall on ABAQUS★

Yu Chuanpeng1Cao Wanlin2*Huang Youqiang1Dong Hongying2Liu Hao2

(1.StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd，Beijing100095,China；2.TheCollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

The paper adopts ABAQUS software to establish the finite element model suitable for the features of the steel tube concrete framework built-in block steel plate composite shearing wall, undertakes the elastic and plastic analysis of the new composite shearing wall structure, and proves by the result that the new shearing wall can ensure the building to change the loading capacity and stiffness along with the altitude with better seismic performance.

composite shearing wall, ABAQUS, seismic performance, loading capacity

1009-6825(2017)05-0031-03

2016-12-07★:国家自然科学基金(51478020)

于传鹏(1987- )，男，硕士，工程师

曹万林(1954- )，男，博士，博士生导师，教授

TU352

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