钢纤维体积掺量对RC剪力墙承载力影响研究

李 飞，胡嘉明

(1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011；2.国网宁夏电力检修公司，宁夏 银川 750011)

0 前 言

传统RC剪力墙通常作为高层建筑的主要抗侧构件，虽然具有抗侧刚度大、承载力高等优点，但变形能力和耗能能力差。钢纤维RC剪力墙是在 RC剪力墙的基础上，在混凝土中加入适量钢纤维后得到的一种剪力墙结构，可以在一定程度上改善RC剪力墙的抗震性能。

近年来，国内外学者对钢纤维RC剪力墙进行了一系列研究，Eom等[1]通过试验研究发现钢纤维的掺入显著提高了RC剪力墙的抗震性能。杜兴亮[2]通过7块RC剪力墙的试验研究发现，由于钢纤维的掺入，RC剪力墙的抗裂性能得到有效改善，抗剪承载力、抗侧刚度、延性和耗能能力也得到了有效提高，同时，钢纤维的加入改变了RC剪力墙的破坏模式。赵军等[3]通过拟静力试验研究发现，与普通RC剪力墙相比，钢纤维RC剪力墙的滞回曲线趋于饱满，延性和耗能能力明显提高。赵军等[4]对4片高宽比为1∶1的剪力墙试件进行拟静力加载试验，研究发现，钢纤维的阻裂效果明显，钢纤维的加入使得RC剪力墙的滞回曲线趋于饱满，延性和耗能能力明显改善，并给出了延性和耗能能力的计算结果。尤培波[5]提出了一种钢管混凝土边框钢纤维高强混凝土新型剪力墙，并进行拟静力加载试验，研究结果表明，钢纤维的加入改变了裂缝形态，提高了剪力墙的抗震性能，并提出了该新型剪力墙的承载力计算方法。

本文在ABAQUS已有混凝土损伤塑性模型基础上，结合前人研究，给出了钢纤维混凝土的损伤塑性模型。采用ABAQUS对钢纤维RC剪力墙的力学性能进行研究，考察了钢纤维体积掺量和配筋率对其承载力和抗侧刚度的影响。

1 有限元模型的建立

1.1 BASE试件设计

本文设计的BASE试件墙体宽度为1 350 mm，高为950 mm，厚度为60 mm，混凝土强度等级为C30，钢纤维体积掺量为0.5%，分布钢筋角度为0°/90°，钢筋直径为6 mm，等级为HPB235，钢筋间距为120 mm，并设置暗梁暗柱。

1.2 材料本构

1)混凝土材料本构。徐礼华[6-7]结合钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的试验结果，在过镇海[8-9]建议的混凝土应力-应变关系曲线方程的基础上，通过理论分析获得了钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的单轴应力-应变关系。本文通过忽略钢-聚丙烯混杂纤维中所对应的聚丙烯纤维的参数，得到了钢纤维混凝土的单轴应力-应变关系。

(1)单轴受压应力-应变[10]关系按式(1)～(6)计算：

(1)

x=εc/εfc0,y=σc/ffc

(2)

(3)

(4)

ffc=fc(1+0.206λsf)

(5)

(6)

式中，ffc、fc分别为钢纤维混凝土和普通混凝土的轴心抗压强度；εfc0为钢纤维混凝土轴心抗压强度的峰值应力应变；λsf为钢纤维特征值，λsf=Vsf(lsf/dsf),其中，Vsf为钢纤维体积分数；lsf/dsf为钢纤维的长径比；参数a的取值范围为1.5≤a≤3，当a=1.5时，取a=1.5，当a>3时，取a=3。

(2)单轴受拉应力-应变关系[11]按式(7)～(13)计算：

σ=(1-d1)Eftε

(7)

(8)

α1=ξ11.2(1+0.265λsf)

(9)

(10)

fft=fmt(1+0.366λsf)

(11)

εft=εmt(1+0.498λsf)

(12)

x=ε1/εft0,ρ1=fmt/Eftεft0

(13)

式中，fft和fmt分别为钢纤维混凝土和相同配合比下混凝土轴心抗拉强度；εft0和εmt分别为钢纤维混凝土和相同配合比下混凝土基体轴心受拉峰值应力应变；λsf为钢纤维特征值，λsf=Vsf(lsf/dsf)。其中，Vsf为钢纤维体积分数；lsf/dsf为钢纤维的长径比；Eft为钢纤维混凝土弹性模量[12]按公式Eft=(1.751+0.652fft)×104计算；ξ1、ξ2为修正系数。当混凝土基体为C30时，取ξ1=1.02，ξ2=0.97。

混凝土损伤塑性模型(CDP)中，剪胀角(Dilation Angle)、流动势偏移值(Eccentricity)、双轴极限抗压应力与单轴极限抗压力比值(fb0/fc0)、拉压子午面上第二应力不变量的比值(K)以及粘塑性参数(Viscosity Parameter)这些参数均按普通混凝土取值。

除了以上参数，CDP模型还要求提供混凝土受压应力-非弹性应变关系以及受压损伤因子，和混凝土受拉应力-开裂应变关系以及受拉损伤因子。混凝土受压应力-非弹性应变关系可由单轴受压应力-应变关系求得，混凝土受拉应力-开裂应变关系可由单轴受拉应力-应变关系求得，损伤因子D由《混凝土设计规范》(GB50010—2010)[13]中的损伤参数d根据文献[14]推荐的式(14)计算确定：

(14)

2)钢材本构。钢材本构关系采用双折线随动强化模型。其中，钢材的屈服强度fy、极限强度fu、弹性模量Es均采用材性试验结果，钢材的泊松比取0.3。

1.3 单元类型

混凝土、槽钢连接件和钢框架采用8节点线性减缩积分六面体实体单元C3D8R，钢筋采用2节点线性三维桁架单元T3D2。

1.4 相互作用

钢框架与槽钢连接件采用“Tie”约束，用来模拟焊接。槽钢连接件与钢筋均“Embedded”在钢纤维混凝土墙中。钢纤维混凝土墙板与钢框架之间的切向采用摩擦接触，法向采用“硬”接触。在钢梁中间位置的上部创建参考点RP-1，并与钢框架上表面“Coupling”。

1.5 边界条件

钢框架下部所有自由度施加了位移约束；对耦合点(RP-1)处施加U1方向位移来模拟所施加的水平位移，施加U3方向位移约束模拟侧向支撑。

2 结果分析

为评估钢纤维体积掺量对钢纤维RC剪力墙受力性能的影响，设计了钢纤维掺量(Steel Fiber Proportion)系列，钢纤维体积掺量分别为0%和1%，试件编号为SFP-1和SFP-2。

1)骨架曲线。图1给出了SFP系列试件的骨架曲线。

图1 SFP系列骨架曲线

由图1可知，BASE、SFP-1、SFP-2试件的峰值荷载分别为348.76、331.13、358.04 kN。可以发现，随着钢纤维体积掺量的增加，钢纤维RC剪力墙的水平承载力有一定程度的增加。

3 结 论

钢纤维体积掺量对钢纤维RC剪力墙的水平承载力影响较大，随着钢纤维体积掺量的增加而增加。

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