钢管混凝土边框内藏带斜肋钢板中高剪力墙结构的有限元分析

郑 骐, 陈家学, 张亚东



钢管混凝土边框内藏带斜肋钢板中高剪力墙结构的有限元分析

郑 骐, 陈家学, 张亚东

(山东科技大学 土木工程与建筑学院, 山东 青岛 266590)

钢管混凝土边框内藏带斜肋钢板中高剪力墙结构融合了钢管混凝土和带斜肋钢板中高剪力墙两种不同结构的优点, 是一种应用前景比较好的抗震结构. 为了系统地研究带斜肋钢板中高剪力墙对整体结构的抗剪能力的影响, 使用 ANSYS 软件建立非线性有限元模型对其进行分析, 在验证有限元模型的基础上, 从整体性能、传力机理、耗能等方面对该结构进行评价. 结果表明: 钢管混凝土边框内藏带斜肋钢板中高剪力墙结构具有较高的侧向承载力和强度储备, 在循环荷载作用下, 结构表现出良好的耗能能力, 钢管混凝土承担80%~100%的倾覆弯矩, 带斜肋钢板中高剪力墙承担80%~90%的侧向力.

滞回性能; 传力机理; 耗能性能

1 概述

近年来, 随着对框架剪力墙结构的研究不断深入, 原有的框架剪力墙结构形式已不能满足高强度的抗剪性能需求, 出现结构侧向刚度小, 侧向位移大等技术难题, 导致提高了对框架结构的抗震要求.

针对这一问题, 国内外研究人员对不同的结构形式在地震作用下所表现出来的力学特性以及变形特征进行了大量研究, 取得了丰硕的成果. 任凤鸣[1]等对钢管混凝土框架—剪力墙结构在反复荷载作用下的抗震性能进行了试验分析, 发现新型三重钢管防屈曲支撑起到良好的耗能减震作用, 有效地改善钢管混凝土框架的抗震性能; 党争[2]等对钢筋混凝土框架—剪力墙结构进行了抗震分析, 表明了该设计方法对一定层数范围内结构非弹性性能设计的准确性; 郑振鹏[3]等从结构整体计算、关键构件与节点的设计等方面对预制装配整体式混凝土框架—剪力墙结构进行了深入探索和研究; 彭晓彤[4]等提出了基于塑性理论的侧向极限荷载的简化计算方法对钢框架内填混凝土剪力墙结构进行有限元分析, 研究表明: 降低节点刚度有利于提高结构的延性和耗能能力; 增加内填墙的厚度可提高结构的初始刚度和承载力; 增加水平向栓钉的数量,采用普通混凝土以及合理设置暗柱、暗梁, 能够有效地提高结构的整体性能. 李国华[5]等对钢框架—内填混凝土墙结构体系进行了非线性有限元分析, 采用对角单压杆模型对内填墙的受力特性进行了研究; 方有珍[6]等基于半刚接钢框架(柱弱轴)—内填剪力墙结构滞回性能进行了循环荷载下的试验研究, 得出影响SRCW结构体系的承载能力和延性的主要因素与RC剪力墙的厚度和混凝土等级有关; 赵伟[7]等对钢框架内填预制钢筋混凝土剪力墙的抗震性能进行了研究, 研究结果表明合理设计的钢框架内填预制钢筋混凝土剪力墙结构具有良好的延性; 于金光[8]等从传统抗弯钢框架侧向刚度不足的角度出发, 提出了更加经济的半刚性连接钢框架—非加劲钢板剪力墙结构, 并从承载力、刚度、延性、耗能、整体性能和节点性能等六个方面对其进行研究分析; 郝际平[9]等对薄钢板剪力墙结构边框架柱的设计方法进行了研究, 指出边框架柱面内弯曲刚度不足或其剪切承载力不足, 会导致钢板剪力墙结构出现“内凹”变形, 影响墙板斜向对角拉力带的开展. 王尧鸿[10]等对钢管混凝土叠合边框内藏钢桁架剪力墙进行了振动台试验的研究, 指出钢管混凝土叠合边框内藏钢桁架剪力墙比普通钢管混凝土叠合柱边框剪力墙承载力高、刚度退化慢、延性好、抗震耗能能力强.

尽管诸多学者针对结构形式进行了深入探索, 但关于何种结构形式能够最大限度的发挥结构的抗剪能力仍未有定论. 本文对钢管混凝土边框内藏带带斜肋钢板中高剪力墙结构进行分析研究. 在钢管混凝土边框内藏带带斜肋钢板中高剪力墙结构体系中, 竖向荷载主要是由钢管混凝土柱来抵抗, 同时抵抗一部分水平荷载, 并且承受部分的整体弯矩, 而水平的地震荷载以及风荷载主要由带斜肋钢板中高剪力墙承担. 目前, 我们对钢管混凝土框架剪力墙结构的研究尚处于初期阶段, 理论还不太完善, 主要都是基于线弹性阶段的研究. 由于剪力墙结构设计的越来越复杂, 如果研究只基于线弹性阶段, 就很难准确地模拟结构的受力情况, 所以本文通过利用非线性有限元的分析方法, 对这种特殊的受力结构进行了有限元分析.

2 有限元模拟

试件采用一品单层钢管混凝土边框内藏带斜肋钢板中高剪力墙结构(图1), 墙体厚度为100mm, 内藏钢板厚度为4mm, 内藏钢板贴焊90mm×3mm斜撑肋板. 各试件边框采用方钢管混凝土柱, 钢管尺寸为140mm×140 mm×3.5 mm. 剪力墙截面总高度为740mm, 其中混凝土墙体截面高度为460 mm. 混凝土墙体双向分布钢筋为φ4@40. 钢板上开直径为10mm圆孔, 下部孔距为80mm, 上部孔距为120mm. 拉结钢筋穿过钢板圆孔, 将两侧分布钢筋网拉结, 底部钢管混凝土柱与基础刚性连接, 柱顶施加荷载P轴压比为0.3, 在顶层梁处施加水平荷载H.

图1钢管混凝土边框内藏带斜肋钢板中高剪力墙结构模型

本文采用ANSYS软件建立非线性有限元模型对这种特殊结构进行有限元分析. 主要讨论的是这种特殊结构在地震作用下的抗震性能, 所以重点对在水平荷载作用下的情况进行计算机模拟. 钢管混凝土边框内藏带斜肋钢板中高剪力墙结构由钢管混凝土柱和带斜肋钢板中高剪力墙这两种不同的结构组成, 必须要考虑两者的协同工作. 所以在选用单元时, 整个结构的钢筋混凝土都采用Solid 65整体式模型, 而钢管和钢板均采用Solid 45六面体单元. 在计算过程中依据Von Mises屈服准则, 型钢材料的本构模型采用各向同性双线性运动强化弹塑性模型(BKIN). 混凝土材料的本构模型采用各向同性多线性运动强化弹塑性模型(MKIN), 并且使用William-Warnke五参数破坏准则.

型钢的弹性模量E= 2×105MPa, 荷载—位移曲线采用双线性随动强化模型, 屈服强度为235MPa, 强化阶段模量为弹性阶段的1.5%倍. 混凝土弹性模量E= 3×104MPa, 抗压强度取30MPa.

为了验证钢管混凝土边框内藏带斜肋钢板中高剪力墙结构模型非线性有限元的有效性, 将该结构的循环加载实验结果[11]与有限元分析结果进行比较, 结果表明: 数值分析模拟中, 裂缝分布规律与实验结果相似, 但裂缝对比实验出现较晚, 数量也相对较多, 两者虽有一定的误差, 但总体上吻合较好, 因此有限元模拟方法可行.

3 滞回性能分析

在分析滞回性能时所建模型以试验试件为原型. 当模型水平方向达到屈服极限时提取模型的Mises应力(图2). 从图2中可以看出, 受压边框钢管柱底部出现屈曲, 带斜肋钢板中高剪力墙墙体底部出现水平剪切破坏, 条带逐渐形成并导致试件破坏. 模型的破坏模态与试验破坏模态[11]基本一致.

图2 极限荷载时Mises应力

3.1 整体性能

在竖向荷载作用下, 对该结构施加水平单向荷载和反复荷载. 结构在单调荷载作用下的荷载—位移曲线如图3所示, 图4则为在反复荷载作用下的荷载—位移滞回曲线. 对图3和图4进行比较可以看出, 荷载—位移曲线基本为滞回曲线的外包络图. 从图中可以看出水平极限承载力为733.36kN, 而其水平设计承载力设计值为363 kN, 试件在达到设计值时还处于弹性工作阶段, 并且可以看出其实际极限承载力约为设计值的2 倍, 而在试验过程中, 其极限承载力约为792kN, 基本为设计值的3倍. 因此在不考虑材料的实际性能时, 依然能够得到较高的承载力. 图4共完成5个滞回环, 当负向加载, 顶点位移达12mm时, 试件达到极值荷载688.22kN, 在正向加载顶点位移达15mm时, 试件达到极限荷载628.42kN. 比较两个图可以发现循环加载的极限荷载低于单调加载的极限值, 和实际试验相符.

图3 模型单调曲线

图4 模型试件滞回曲线

通过分析计算可以得到试件的刚度, 在一级循环荷载时的刚度为147. 67 kN/mm, 和单调加载的初始刚度(166.7kN / mm)相比十分接近, 说明试件还处于线弹性工作阶段. 在经过多次加载后, 可以看出试件的刚度发生了明显的退化.

3.2 传力机理

为分析研究每级荷载下钢管混凝土和带斜肋钢板中高剪力墙所承担的倾覆弯矩. 以图1中A截面为例, 计算钢管混凝土承担的弯矩M, 带斜肋钢板中高剪力墙承担的弯矩M和总弯矩M, 并进行对比分析, 详细数据见表1.

从表1中可以看出在一级加载时, 钢管混凝土框架所承担的倾覆弯矩的比例为82.2%, 带斜肋钢板中高剪力墙所承担的倾覆弯矩为17.8%. 随着荷载的不断增加, 钢管混凝土框架承担的倾覆弯矩所占的比例在减少, 而带斜肋钢板中高剪力墙所承担的倾覆弯矩的比例在增大. 到加载后期由于带斜肋钢板中高剪力墙与钢管混凝土框架连接处开裂导致剪力墙承担的弯矩减少.

表1 弯矩分配

在加载过程开始时, 侧向水平力主要是由钢管混凝土框架来承担, 带斜肋钢板中高剪力墙也承担部分侧向水平力. 随着力的增大, 带斜肋钢板中高剪力墙所承担的水平荷载也逐渐增大. 到加载的后期, 带斜肋钢板中高剪力墙由于屈服承担的比例有所减少. 因此, 这种结构所组成的抗侧力体系会随着力的增大而增大, 直至得到屈服才会减小.

3.3 耗能

采用功耗比W来描述基准试件的耗能能力, 功耗比W按下述方法确定: 计算每一个滞回环在第一象限的面积A, 然后除以A( =Fδ), 就能得到每一荷载水平下的功耗比W, 结果见表2.

表2 耗能分析

从表2中可以看出, 型钢混凝土内接W剪力墙结构在弹性阶段时吸收的能量比较小. 随着荷载的增加, 结构耗能也在不断地增大; 到第5次加荷载时, 结构最大耗能W达到14.14%, 在地震作用时能够有效地吸收地震能, 减少在地震发生时结构所遭受的破坏.

4 结语

钢管混凝土边框内藏带斜肋钢板中高剪力墙结构在整体的抗震过程中, 能够很好地抵抗地震作用, 减少在地震作用中所带来的结构损坏, 在发生变形的过程中可吸收一部分地震能而不致发生倒塌. 这种结构提供了足够的侧向刚度, 并以一种较为简便经济的方式将地震所带来的灾害控制在一定的范围内, 而且这种结构降低了钢管混凝土框架对节点抗弯能力的要求, 保证结构具有一定的延性, 避免了剪力墙在遭到破坏后强度和刚度突然下降, 能够在荷载作用下通过带斜肋钢板中高剪力墙的变形、开裂和钢管混凝土框架与带斜肋钢板中高剪力墙连接处的屈服破坏等途径来耗散能量.

[1] 任凤鸣, 周 云, 林绍明, 等. 钢管混凝土减震框架与钢管混凝土框架—剪力墙结构的对比试验研究[J]. 土木工程学报, 2012, 45(4): 92~93

[2]党 争, 梁兴文, 李 坤, 等. 基于屈服点谱的钢筋混凝土框架—剪力墙结构抗震设计[J]. 土木工程学报, 2015, 45(4): 92~93

[3] 郑振鹏, 郑仁光, 李 峰. 预制装配整体式混凝土框架—剪力墙结构设计[J]. 建筑结构, 2013, 43(2): 29~30

[4] 彭晓彤, 沈莉莉, 林 晨. 钢框架内填混凝土剪力墙结构有限元分析[J]. 工业建筑, 2010, 40(6): 107~110

[5] 李国华, 郁银泉, 顾 强. 钢框架内填混凝土墙结构体系有限元分析[J]. 四川建筑科学研究2007, 33(5):17~18

[6] 方有珍, 何若全, 申 林, 等. 半刚接钢框架(柱弱轴)—内填剪力墙结构滞回性能的有限元分析[J]. 建筑结构学报, 2008, 29(2): 63~64

[7] 赵 伟, 童根树, 周观根, 等. 钢框架内填预制钢筋混凝土剪力墙试验研究[J]. 土木建筑与环境工程, 2013, 35(1): 64~65

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[10] 王尧鸿, 张建伟, 曹万林, 等. 钢管混凝土叠合边框内藏钢桁架剪力墙振动台试验研究[J]. 世界地震工程, 2011, 27(1): 15~19

[11] 董宏英, 张文江, 曹万林, 等. 钢管混凝土边框内藏带带斜肋钢板中高剪力墙抗震性能试验[J]. 地震工程与工程振动, 2013, 33(3): 149~154

Finite Element Analysis of Mid-rise Shear Walls with CFST Boundary Columns and Concealed Steel Plates with Diametrically Opposed Cross Braces

Zheng Qi, Chen Jiaxue, Zhang Yadong

(College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

Themid-rise shear walls with CFST boundary columns and concealed steel plates with diametrically opposed cross braces structure is consist of CFST and steel plates with diametrically opposed cross braces, and it has lots of advantages as earthquake-resistant structure. In order to systematically study steel plates with diametrically opposed cross braces influence on shear capacity of the whole structure, use ANSYS software to establish a nonlinear finite element model to analyze it from the overall performance, the force transmission mechanism to evaluate the structure, energy consumption on the basis of the finite element model validation. The results showed that the mid-rise shear walls with CFST boundary columns and concealed steel plates with diametrically opposed cross braces structure has high lateral bearing capacity and strength reserve, and the structure performs well in energy dissipation under cyclic load. The steel frame bears the proportions of 80% ~ 100% of the overturning moment, shear wall for 80% ~ 90% of the lateral force.

hysteretic performance, power transmission mechanism, energy performance

2017-08-25

郑 骐(1992− ), 男, 山东潍坊人, 山东科技大学土木工程与建筑学院硕士研究生. 主要研究方向: 结构工程

TU398

A

1672-5298(2017)04-0058-04