开洞钢板再生混凝土剪力墙抗震性能模拟分析

□□ 姚建凯，王 铁，段劲松，段臣臣 (.浙江鸿翔建设集团股份有限公司，浙江 嘉兴34000；.江苏省科佳工程设计有限公司，江苏 无锡 4000)

引言

钢板混凝土剪力墙集中了混凝土抗压的优点和钢材高强度、高延性的优点，水平风荷载及地震作用下表现出良好的延性和耗能能力，被广泛应用于高层和超高层建筑[1]。已有大量学者对钢板普通混凝土剪力墙的力学性能进行了系统研究[2-3]，对钢板再生混凝土剪力墙的力学性能也有部分学者进行了研究[4-5]，而对开洞钢板再生混凝土剪力墙水平地震作用下的性能研究却很少。因此，基于工程考虑边缘构件的影响，设计了带方钢管暗柱的开洞双钢板混凝土剪力墙构件[6]，研究其在地震作用下的滞回性能和耗能能力。构件设计按文献[7]和[8]建议，采用有限元软件ABAQUS对构件施加低周往复荷载，着重分析孔洞率、孔洞形状和孔洞位置等3个参数对开洞钢板再生混凝土剪力墙抗震性能及变形能力的影响。

1 模型建立

1.1 构件设计

此次数值分析共建立了6片轴压比均为0.5和再生混凝土取代率均为30%的钢板混凝土剪力墙构件，构件按Q1～Q6进行编号。为减小次要因素的影响，加载梁及基础梁均采用C40新混凝土并加强配筋(纵筋4C25、箍筋C10@100)；墙身及墙身端部的约束边缘构件采用再生混凝土，再生混凝土由C40新混凝土和C30旧混凝土机械配制而成；用强度Q235的钢材加工成6 mm厚的钢板、方钢管及加劲肋板。剪力墙平剖图如图1所示，构件参数详见表1。

图1 剪力墙平剖图

表1 构件参数

1.2 材料信息

1.2.1材料参数

钢板、钢筋及普通混凝土的材料参数按GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)[9]取值；取代率为30%的再生混凝土立方体抗压强度标准值fcu,com结合文献[10]确定，fcu,com=0.7fcu,new+0.3fcu,old，fcu,new为新混凝土立方体强度，fcu,old为废旧混凝土立方体强度；再生混凝土的弹性模量、泊松比按T/CECS 625—2019《钢管再生混凝土结构技术规程》取值。

1.2.2本构模型

钢板和钢筋使用双折线随动硬化模型[11]；混凝土采用ABAQUS自带的塑性损伤模型，该模型可以较好的模拟混凝土结构在周期往复荷在下的力学性能，再生混凝土应力应变关系采用肖建庄本构[12-13]，考虑损伤因子的影响[14]，应力与应变的关系见式(1)和(2)：

受压本构见式(1)：

(1)

式中：x——ε/εo;

y——σ/σo；

εo——峰值压应变；

σo——峰值压应力，σo=fcu,k。

受拉本构见式(2)：

(2)

式中：x——ε/εot;

y——σ/σot；

εot——峰值拉应变；

1.3 加载方式

现在室内试验对构件在各种地震作用的响应再现主要是通过拟静力试验进行，加载形式为力的形式、位移的形式以及力和位移混合的形式。为使计算易于收敛，此次模拟使用位移形式对钢板再生混凝土剪力墙进行加载。位移形式的加载幅值为1、3、5、7、9、13、17、21、25(即9 mm之前加载步长为2 mm，9 mm之后加载步长为4 mm)且每级正反各加载1次。

2 结果与分析

2.1 滞回曲线

6片剪力墙试件的滞回曲线如图2所示。由图可知，滞回曲线具有以下特点：

图2 构件的滞回曲线

(1)在前几个加载周期下，各构件的滞回曲线基本上呈现一条重合的直线，卸载后构件没有残余位移产生，刚度也没有发生下降，构件处于弹性变形阶段；但随着加载的深入，滞回曲线渐渐向下倾斜，刚度出现退化，卸载后残余变形增大，滞回环变得丰满，构件进入弹塑性变形阶段。

(2)不同的设计参数下，剪力墙的滞回曲线也各不相同。比较Q1、Q2和Q3可知，孔洞率越大滞回曲线饱满度越低，承载力减小，孔洞率对剪力墙的承载力及耗能能力有较大影响；Q1和Q4的抗侧承载力较高，滞回环也饱满，抗震性能较好；Q1、Q5和Q6的孔洞偏心率较小，滞回曲线相似，力学性能接近。

(3)Q1～Q6的滞回曲线基本上均成正反向对称，且滞回环饱满度较高，呈现出两头大中间小的梭形状态，这是因为钢板和方钢管的存在改善了剪力墙的耗能性能。

2.2 骨架曲线

对滞回曲线各循环下第一圈的峰值点进行连线，可得6片剪力墙的骨架曲线，如图3所示。由骨架曲线可以看出：

(1)往复荷载使构件的损伤不断积累，各构件的骨架曲线在正反方向略有差异，并不呈现严格的完全对称。

(2)随着剪力墙孔洞率增加，骨架曲线向水平方向倾斜的程度加剧，斜率严重减小，剪力墙的抗侧刚度下降，峰值荷载下降，变形能力变差。

(3)加载初期，不同孔洞下的剪力墙骨架曲线基本重合，初始刚度接近，随着位移的增大，骨架曲线出现分离，Q1首先屈服，Q4随后屈服但承载力较高。

(4)孔洞位置在0～15%范围变化时，构件Q1、Q5和Q6的骨架曲线几乎重合，这表明此范围内孔洞位置对开洞钢板再生混凝土剪力墙的抗侧刚度、极限承载力和破坏位移影响都较小。

2.3 延性

延性可用来衡量构件的抗震性能，下面将通过水平位移延性系数来表达剪力墙的变形能力。构件在不同参数下的延性系数见表2。在孔洞率增大的过程中，构件的延性系数也不断增大，并且提高的幅度变大；剪力墙延性在不同孔洞形状下差异较大，圆形孔洞的剪力墙延性系数大，方形孔洞的剪力墙延性系数小，方形孔洞强墙往复荷载下延性差；在图1的孔洞位置下，随着孔洞位置偏置的增大，延性系数略有下降，偏心位置对其影响不明显。

表2 延性系数

2.4 耗能能力

采用等效粘滞阻尼系数判断构件在地震作用下耗能能力的大小，等效粘滞阻尼系数越大，试件的耗能能力越好，如图4所示。由图4可知：

图4 构件的阻尼系数

(1)在不同孔洞率下，随着位移幅值的增加，Q1的等效粘滞阻尼系数增大，Q2和Q3的等效粘滞阻尼系数呈波动上升趋势。随着孔洞率的增大，加载初期等效阻尼系数减小，后期略有上升。

(2)在孔洞率为20%时，孔洞形状对剪力墙粘性阻尼系数影响较大，相比之下圆形孔洞剪力墙等效粘滞阻尼系数较大，耗能能力好。

(3)在相同位移幅值下，Q6的等效粘滞阻尼系数明显低于Q1和Q5，这表明在一定范围内孔洞位置偏置的增加对等效粘滞阻尼系数有降低效应。

3 结论

通过有限元手段对开洞钢板再生混凝土剪力墙的抗震性能进行模拟分析，研究了孔洞率、孔洞形状及孔洞位置对剪力墙抗震性能和变形能力的影响，分析了滞回曲线、骨架曲线和延性等抗震性能指标，得出如下结论：

3.1 增大孔洞率会不断的降低剪力墙承载力，且耗能能力也随孔洞率增大而变差，但延性性能有所改善。

3.2 孔洞形状要慎重选择，方形孔洞剪力墙的承载力高而变形性能差，圆形孔洞剪力墙的承载力低而变形能力好。

3.3 孔洞位置对剪力墙的承载力影响不大，但随着偏心率的增加，剪力墙的延性下降，变形能力降低。