约束型开洞双钢板混凝土组合剪力墙的滞回性能

袁朝庆， 王义荧， 郝旭东， 张瀚天， 米琳琳， 蒋光耀

(1.东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318； 2.黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室， 黑龙江 大庆 163318; 3.沈阳多维格诺建筑系统有限公司， 沈阳 110000)

约束型开洞双钢板混凝土组合剪力墙的滞回性能

袁朝庆1,2， 王义荧3， 郝旭东1,2， 张瀚天1,2， 米琳琳1,2， 蒋光耀1,2

(1.东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318； 2.黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室， 黑龙江 大庆 163318; 3.沈阳多维格诺建筑系统有限公司， 沈阳 110000)

为提高开洞双钢板混凝土组合剪力墙的延性和抗震性能，将约束型钢管混凝土柱的概念引入开洞双钢板混凝土组合剪力墙，形成约束型开洞双钢板混凝土组合剪力墙。利用有限元软件ABAQUS对约束型开洞双钢板混凝土组合剪力墙进行滞回性能分析。结果表明，在高轴压比作用下，相较于同一高度下的组合剪力墙，约束型双钢板混凝土组合剪力墙的初始刚度和峰值荷载均略有降低，但其能量耗散系数有较大提高，建议预留缝宽取80 mm。

双钢板混凝土组合剪力墙； 约束型； 开洞； 滞回性能

0 引 言

为改善普通钢筋混凝土框架柱的延性，Tomii等[1-2]提出了钢管约束型钢筋混凝土柱，这种钢筋混凝土柱的主要特点是钢管在柱上下端与梁连接的节点处预留缝隙，使钢管与上下梁端分开，避免钢管在轴向压力作用下直接承受竖向荷载且仅对核心混凝土提供横向的约束作用。大量研究表明，钢管约束型钢筋混凝土柱具有优良的抗震性能，尤其在较高轴压比下仍然具有较好的延性，此外，在钢管约束型钢混凝土柱中，可不配置由纵筋和箍筋组成的钢筋笼，这有利于核心混凝土的浇筑，保证混凝土的质量[3]。

国外早已有关于开洞双钢板组合墙的研究，然而研究对象局限于双压型钢板组合墙[4-5]；国内已有应用开洞双钢板组合墙的工程实例，如江苏省盐城广播电视塔，但针对开洞双钢板组合墙的理论研究却处于初步探索阶段[6-7]。由已有研究可知，当组合剪力墙在轴压比较大时破坏较早，延性较差，因此，笔者考虑将钢管约束混凝土柱的理论引用于开洞双钢板组合剪力墙，但由于钢管约束混凝土柱仍主要表现为混凝土性能，承载力较低，而且浇筑混凝土时需额外设置模板，所以，文中仅在组合剪力墙上部与楼板连接处将组合剪力墙的外包钢板断开并预留一定宽度的缝隙，形成约束型开洞双钢板混凝土组合剪力墙。相较于普通开洞双钢板混凝土组合剪力墙，约束型开洞双钢板混凝土组合剪力墙能避免钢板直接承受竖向荷载而发生屈曲破坏。此外，该剪力墙还能够满足建筑结构预留洞口的要求，承载力高，抗侧刚度大，抗震性能好，节约材料，方便设置楼板，在建筑领域有很好的应用前景。目前，针对约束型开洞双钢板混凝土组合剪力墙的研究未见报道。笔者利用有限元分析方法研究约束型开洞双钢板混凝土组合剪力墙的滞回性能。

1 有限元模型的验证

为验证利用有限元软件分析开洞双钢板混凝土组合剪力墙滞回性能的可行性，文中选用文献[8]中的DCSW2试件作为对比分析对象，利用有限元软件ABAQUS建立与DCSW2尺寸完全相同的有限元模型，分析其在文献[8]的加载方式下的滞回性能，并与实验结果进行对比分析。

采用ABAQUS/Standard分析模块，单元类型为三维实体单元(C3D8R)，钢材选用混合强化模型，混凝土采用塑性损伤模型，钢板与混凝土之间的法向接触采用“硬接触”，切向接触采用“罚”接触。模型底部将其边界条件设为完全固定；模型顶部忽略加载梁，设置参考点，并将整个上表面耦合以施加荷载，约束墙体的面外位移[8]。有限元模型如图1所示，并命名为DCSW2*。

图1 DCSW2*有限元模型

图2为DCSW2*的滞回曲线，图3为DCSW2实验骨架曲线与DCSW2*骨架曲线的对比。由文献[8]、图2、3可以看出，有限元模拟曲线形状和实验曲线形状相似，由于未考虑钢材反向加载时刚度的退化，有限元模拟曲线未出现下降段，但整体吻合较好。

图2 DCSW2*的滞回曲线

表1为实验结果与有限元结果对比。由表1可以看出，有限元模拟的初始刚度略大于实验值，这主要是由于有限元模拟时的边界条件为理想的完全固定，材料也为理想材料。有限元模拟在达到其屈服点之后结构承载力均小于实验值，这主要是由于有限元模拟时忽略了墙身上的螺栓与栓钉，以及洞口周围加密的栓钉，且有限元无法准确模拟混凝土压崩后结构的受力变化，采用的接触模型也难以准确模拟钢板与混凝土之间的黏结作用。对照表1，有限元模拟结果与实验结果的误差分别为5.45%、3.88%、0.59%、10.66%、8.60%，其中最大误差为10.66%，在可以接受的范围，因此，认为应用ABAQUS能够安全有效地模拟开洞双钢板混凝土组合剪力墙在往复荷载作用下的滞回性能。

图3 骨架曲线对比

表1 实验结果与有限元结果对比

Table 1 Contrast of experimental results and finite element results

试件初始刚度/kN·mm-1屈服阶段峰值阶段Fy/kNsy/mmFy/kNsy/mmDCSW2 91.27845.0011.921045.0020.20DCSW2*96.24877.7611.99933.5821.93

注：表中所列结果均为平均值。

2 参考模型的建立

为分析约束型开洞双钢板混凝土组合剪力墙相较于开洞双钢板混凝土组合剪力墙性能的优越性，在轴压比为0.5的情况下对比分析约束型组合剪力墙的性能变化。建立一个组合剪力墙模型ACR-0.5(轴压比为0.5的开洞双钢板混凝土组合剪力墙)作为参考模型，ACR-0.5模型取自某核心筒中的一片开洞双钢板混凝土组合剪力墙，两钢板之间采用横隔板连接[9]，层高取5 400 mm，组合剪力墙截面尺寸为4 000 mm×300 mm，开设2 200 mm×800 mm的洞口作为门洞，钢板厚度取10 mm，钢材采用Q235，混凝土采用C30。模型底部采用完全固定的边界条件，上端自由，设置参考点并与模型上表面耦合，将竖向荷载和水平荷载均施加在参考点上，具体有限元模型及模型尺寸见图4，材料本构关系参见文献[10]，位移加载方式如图5所示。

a ACR-0.5组合剪力墙

b 约束型组合剪力墙

c 墙体截面

图5 水平加载方式

3 约束型组合剪力墙的滞回性能

3.1 滞回曲线与骨架曲线

3.1.1 HS系列剪力墙

在ACR-0.5模型基础上保持其他参数不变，仅在剪力墙与楼板交接处将外包钢板切断，并预留一定宽度的缝隙形成约束型开洞双钢板混凝土组合剪力墙，分析其初始刚度、承载力和延性性能，其有限元模型命名为HS系列模型。HS-T-0.5代表其余参数不变，预留缝宽(b)取剪力墙高度(H)的0.5%，即27 mm，其余类似。不同缝宽的约束型组合剪力墙的滞回曲线和骨架曲线见图6，文中仅给出部分有代表性的曲线，其余结果列于表2中。

a ACR-0.5 b HS-T-0.5 c HS-T-1.5

d HS-T-2.5 e HS-T-3.0 f HS-T-3.5

由图6可以看出，不同缝宽的组合剪力墙的滞回曲线光滑、饱满，呈现梭形，骨架曲线形状相似，在弹性阶段变化规律一致，由于洞口偏置，滞回曲线表现出了一定程度的不对称性。相较于组合剪力墙，约束型组合剪力墙承载力几乎没有变化，但延性性能改善较多。为量化分析问题，将HS系列模拟结果列于表2中。由表2可知，相较于组合剪力墙，约束型组合剪力墙的初始刚度k0和屈服荷载均略有降低，约为4%，屈服位移以及峰值荷载基本不变；与ACR-0.5相比，当预留缝宽依次为模型高度的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%时，峰值位移依次增大了29%、21%、39%、25%、29%、32%、29%。

表2 HS系列剪力墙模拟结果对比

注：比值均为约束型组合剪力墙模型与相同高度的ACR-0.5模型相应项目的比值；所有数值均为平均值。

3.1.2 HS#与HS*系列剪力墙

为分析其他高度的约束型组合剪力墙在延性上也具有优越性，建立高度为4 800和4 200 mm两组模型并分别命名为HS#和HS*系列，分析结果见表3、4。

表3 HS#系列剪力墙模拟结果对比

注：比值均为约束型组合剪力墙模型与相同高度的ACR-0.5#模型相应项目的比值；所有数值均为平均值。

由HS#系列模拟结果对比(表3)可知，相较于组合剪力墙，约束型组合剪力墙的初始刚度和屈服荷载均略有降低，约为4%，屈服位移基本不变，峰值荷载降低约为2%。与ACR-0.5#相比，当预留缝隙宽度依次为模型高度的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%时，峰值位移依次增大了11%、18%、21%、21%、17%、15%、14%、16%。

表4 HS*系列剪力墙模拟结果对比

注：比值均为约束型组合剪力墙模型与相同高度的ACR-0.5*模型相应项目的比值；所有数值均为平均值。

由表4可知，相较于组合剪力墙，约束型组合剪力墙的初始刚度和屈服荷载均略有降低，约为5%，屈服位移基本不变，峰值荷载降低约为2%。与ACR-0.5*相比，当预留缝隙宽度依次为模型高度的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%时，峰值位移依次增大了16%、16%、18%、17%、20%、26%、16%、30%、28%。

综合分析表2、4可知，剪力墙高度(即高厚比)对其初始刚度、屈服荷载和峰值荷载影响较大。HS系列、HS#系列、HS*系列模型高厚比分别为18、16、14，其初始刚度依次约为470、580和715 kN/mm，屈服荷载依次约为4 000、4 700和5 400 kN，峰值荷载依次约为5 800、6 400和7 000 kN。这主要是由于剪力墙高度的降低使钢板对混凝土的约束效果更好，更能充分发挥材料的塑性性能。

3.2 耗能能力

为综合分析不同高度的约束型组合剪力墙的耗能能力，求得其能量耗散系数，如图7所示。

图7 不同高度约束型组合剪力墙耗能系数

Fig. 7 Energy dissipation coefficient of tubed composite shear wall with different height

由图7可知，预留缝宽对不同高度的约束型组合剪力墙耗能系数的影响规律不一致，这主要是由于剪力墙的高厚比也是影响组合剪力墙受力性能的一个重要因素。随着剪力墙高厚比的降低，约束型组合剪力墙的能量耗散系数逐渐增大，说明剪力墙的高厚比越小，约束型组合剪力墙的耗能能力越大。

综合以上分析可知，同一高度下的约束型组合剪力墙的耗能能力相较于组合剪力墙均有所提高，但以顶留缝宽80 mm时提高幅度最大。

在研究过程中发现，当水平荷载较小时，外包钢板与核心混凝土协同工作；随着水平荷载的增加，内填混凝土中发展裂缝并逐渐增大，从而使骨料咬合产生的抗剪力减小，此时外包钢板的环向应力和剪应力迅速增大，钢板直接参与抗剪并对混凝土提供约束作用，提高其受压承载力，限制裂缝的进一步发展。当外包钢板屈服后，由于钢材优良的延性，可继续提供约束，有效抑制混凝土斜裂缝扩展，使其整体变形能力和延性仍得到明显改善。

在较大的竖向荷载作用下，普通开洞双钢板组合剪力墙结构的外包钢板由于直接承受竖向荷载而

较早发生屈曲破坏，又由于预留缝隙的设置，在竖向荷载作用下，外包钢板不直接承受竖向荷载，发生屈曲破坏的时间较晚，能够有效地约束内填混凝土防止其压崩破坏，有效地避免上述情况，从而提高其承载力和延性性能。

4 结 论

(1)相较于同一高度下的组合剪力墙，约束型组合剪力墙的初始刚度、屈服荷载和峰值荷载均略有降低，不超过5%，而能量耗散系数有所提高。

(2)随着高厚比的减小，约束型组合剪力墙和组合剪力墙的承载力、延性系数和能量耗散系数均有所增加。

(3)综合对比分析不同高度的约束型组合剪力墙的承载力和耗能能力，考虑楼板的设置与搭接，建议预留缝宽可根据楼板厚度选取，如结构允许，建议宽度为80 mm。

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(编校 荀海鑫)

Analysis on hysteretic behavior of tubed concrete-filled double skin composite shear wall with opening

YuanZhaoqing1,2，WangYiying3,HaoXudong1,2,ZhangHantian1,2,MiLinlin1,2,JiangGuangyao1,2

(1.School of Civil & Architecture Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;2. Heilongjiang Key Laboratory of Disaster Prevention, Mitigation & Protection Engineering, Daqing 163318, China；3.Shenyang Duowei Genau Building & System Co. Ltd., Shenyang 110000, China)

This paper is an attempt to improve the ductility and seismic performance of concrete-filled double skin composite shear wall with opening by introducing the concept of tubed steel reinforced concrete column and forming a new type of lateral force resisting members. The study is focused on analyzing the hysteretic performance of tubed concrete-filled double skin composite shear wall with opening using the finite element software ABAQUS. The results demonstrate that, when subjected to high axial compression ratio, tubed concrete-filled double skin composite shear wall with opening exhibits a slightly lower initial stiffness and bearing capacity than composite shear wall of the same height, but it has a greatly improved energy dissipation coefficient, allowing for seam width of 80 mm.

concrete-filled double skin composite shear wall; tubed; opening; hysteretic behavior

2017-01-09；

2017-06-26

东北石油大学研究生创新科研项目(YJSCX2015-035NEPU)

袁朝庆(1970-)，男，黑龙江省依安人，教授，博士，研究方向：工程结构抗震，E-mail：yvq@sina.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.015

TU398.2

2095-7262(2017)05-0520-06

A