9度抗震设防区钢管混凝土束剪力墙结构性能影响因素分析*

蔡宏昊, 刘宜丰, 刘晓光, 胡立黎

(1 中国建筑西南设计研究院有限公司，成都 610042；2 杭萧钢构股份有限公司，杭州 310003)

0 引言

随着装配式钢结构住宅建筑的迅速发展,适宜于住宅的钢管混凝土束剪力墙结构体系得到了广泛应用[1-3]。钢管混凝土束剪力墙是一种新型双钢板-混凝土组合剪力墙[4],由多个U型钢并排连接在一起形成钢管束,并在内部浇筑混凝土形成的墙体,是结构体系里面的主要承重构件和抗侧力构件。根据设计需要,可将U型钢组合成一字形、L字形、T字形、Z字形等[5]。U型钢钢板常用厚度为4～6mm,钢管混凝土束剪力墙常用厚度为130～150mm,墙体中钢材重量约占整片墙体重量的20%。钢管束构件通常按照9m一段进行制作,加工顺序为根据图纸要求将整块钢板下料成多个条形板,采用专用的弯折设备,将条形板弯折成U形,然后采用智能化自动焊机逐个将U型钢焊接在一起,形成钢管束构件。与传统混凝土剪力墙相比,钢管混凝土束剪力墙具有墙体薄、承载力高、延性好和施工便捷的优点,同时剪力墙由标准化的构件加工而成,易于工业化生产。相关学者对钢管混凝土束剪力墙构件的抗震性能进行了研究[6-10]。其中张晓萌[11]对一字形和T形钢管混凝土束剪力墙进行了试验研究,结果表明构件具有良好的抗震性能,同时降低轴压比、减小U型钢截面尺寸和端部钢管壁厚增加均会提高构件延性;李文葛等[12]分析了短肢钢管混凝土束剪力墙的力学性能,结果表明钢板厚度、剪跨比对构件承载力影响较大,剪力墙延性受混凝土强度、钢材强度、轴压比的影响;刘克忠[13]对两侧钢板加强的钢管混凝土束剪力墙进行了有限元分析,结果表明端部钢管加强可以使墙体屈曲位置内移,提高极限承载能力和变形能力。目前,国内外学者对钢管混凝土束剪力墙构件的性能研究已经较为成熟,但对剪力墙整体结构的性能研究较少,现有的协会标准《钢管混凝土束结构技术标准》(T/CECS 546—2018)[14](简称《钢管束标准》)中该体系的适用范围尚未纳入9度抗震设防区,本文以文献[5]所述的18层54m高的工程案例住宅为基础算例,考虑钢板厚度、墙体厚度、混凝土强度等级、钢管束端部腔体钢板厚度以及结构高度等影响因素,采用动力弹塑性分析方法,研究各因素下钢管混凝土束剪力墙结构在9度抗震设防区罕遇地震作用下的性能,并提出设计建议。

1 评价指标

为了评价各影响因素下钢管混凝土束剪力墙结构的性能,主要从结构变形、结构内力、构件损伤及材料用量四个方面,分别选取罕遇地震下的最大层间位移角,底层总剪力、轴压比、最大弯矩和剪力,混凝土损伤和用钢量等指标进行评价。

根据文献[5]所述工程案例的计算结果,钢管混凝土束剪力墙损伤主要集中在下部区域,选择整体结构下部六层的墙体作为参数变化的对象;结构构件内力评价指标选择结构中受力较大的底层边墙KQ1和底层电梯井外圈墙KQ2进行比较分析;构件性能水平选择底部加强区部位及相邻的上一层共三层的边墙KQ1进行比较分析;经文献[5]性能研究表明,罕遇地震下剪力墙中钢板基本处于弹性阶段,构件性能水平由混凝土损伤控制,构件损伤采用混凝土损伤因子进行比较分析。选取的钢管混凝土束剪力墙如图1所示。基础算例的主要构件尺寸见文献[5]。

图1 受力较大的典型墙体

2 计算分析

2.1 构件模型选取

本文针对钢管混凝土束剪力墙结构的一般特点,在非线性有限元分析中,基于如下假定:1)只考虑钢管混凝土束剪力墙平面内弹塑性性能;2)不考虑钢管混凝土束剪力墙内部隔板及内部隔板对混凝土的约束作用以及对剪力墙单元划分的影响;3)钢材采用双线性随动硬化本构模型,强化段弹性模量取弹性段1%;混凝土采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[15]附录C中的应力-应变本构模型;4)结构模型中梁、柱等杆件采用纤维束模型;钢管混凝土束剪力墙、楼板采用分层壳单元模型;钢梁采用集中塑性铰模型。

2.2 地震波选取

按照《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(简称《抗规》)[16]第5.1节相关要求选用地震波,分析时峰值加速度取620gal,主方向、次方向与竖向的峰值加速度比值为1.00∶0.85∶0.65。基于文献[5]的性能分析结果,仅选用地震响应较大的TH089TG045地震波下的结果作为比较依据,TH089TG045主方向的加速度时程记录见文献[5]的图16。

3 影响因素分析

3.1 钢板厚度对结构性能的影响

钢板作为钢管混凝土束剪力墙构件的重要组成部件,钢板厚度增大可以直接提高钢板承担的水平剪力和竖向荷载,对墙体的整体承载力及刚度提升均有较大作用[6-11]。增大钢板厚度和提高钢材强度可以提高钢管混凝土束剪力墙承载力和延性,但由于高强钢在钢结构住宅中应用较少,因此仅研究钢板厚度变化对结构性能的影响。

在其他因素都不变的情况下,只改变钢管混凝土束剪力墙中的U型钢钢板的厚度,对钢管混凝土束剪力墙结构进行分析,结果见表1,钢板厚度对混凝土损伤的影响情况见图2,可得出以下结论:

表1 钢板厚度对结构性能的影响对比

图2 钢板厚度对混凝土损伤的影响

(1)钢板厚度增大,最大层间位移角没有明显变化,罕遇地震下最大层间位移角满足标准限值1/70。

(2)钢板厚度增加,钢管混凝土束剪力墙轴压比减小,罕遇地震下钢材没有进入塑性,剪力墙刚度增大,底层总剪力增大,结构构件内力也明显增大。

(3)钢板厚度增加,钢管混凝土束剪力墙的含钢率上升,钢板对混凝土的约束作用增强,使得混凝土损伤明显减小,构件性能水平提升;当钢板厚度为4mm时,混凝土损伤较大,而当钢板厚度增大至6mm时,混凝土损伤得到明显改善,当钢板厚度大于6mm时,钢板厚度对混凝土损伤的改善效果降低。

(4)钢板厚度增大,用钢量明显增加。

3.2 钢管混凝土束剪力墙厚度和混凝土强度等级对结构性能的影响

混凝土作为钢管混凝土束剪力墙构件中竖向荷载承载部件,混凝土厚度变化和混凝土强度等级对墙体的整体承载力提升有较大作用。因住宅中不宜采用过厚的墙体,其他因素不变的情况下,选择厚度为130、150、180、200mm和混凝土强度等级为C40～C60的钢管混凝土束剪力墙进行对比分析,结果见表2和表3,对混凝土损伤的影响情况见图3和图4,可以得出以下结论:

表2 剪力墙厚度对结构性能的影响对比

表3 混凝土强度等级对结构性能的影响对比

图3 钢管混凝土束剪力墙厚度对混凝土损伤的影响

图4 混凝土强度等级对混凝土损伤的影响

(1)钢管混凝土束剪力墙厚度增大和混凝土强度等级提高,最大层间位移角没有明显变化,罕遇地震下最大层间位移角满足标准限值1/70。

(2)钢管混凝土束剪力墙厚度增大,底部总剪力增大;混凝土强度等级提高,底层总剪力变化不明显。

(3)当钢管混凝土束剪力墙厚度增大,结构构件内力明显增大,其中最大剪力明显增加。钢管混凝土束剪力墙抗剪承载力主要由钢板提供,在钢板厚度不变抗剪承载力没有提高的情况下,剪力墙厚度增大使得剪力明显增大,变相降低了墙体抗剪裕度,有违“强剪弱弯”的设计原则;钢管混凝土束剪力墙厚度增大,轴压比变化不明显。

(4)钢管混凝土束剪力墙厚度增大,剪力墙承载力增大,混凝土损伤减小,构件性能水平提升,当剪力墙厚度为130mm时,混凝土损伤较大,而当剪力墙厚度增大至150mm时,混凝土损伤得到明显改善,当剪力墙厚度大于150mm时,剪力墙厚度对混凝土损伤的改善效果降低。

(5)钢管混凝土束剪力墙混凝土强度等级提高,剪力墙刚度和内力无明显变化,但剪力墙承载力增大,使得构件性能水平提升,混凝土损伤明显减小。

(6)钢管混凝土束剪力墙厚度增大和混凝土强度等级提高,用钢量无变化。

3.3 端部腔体钢管壁厚变化对结构性能的影响

相比于中间区域的钢管,端部腔体钢管在承受侧向力的时候可以更充分发挥钢材抗拉作用,对端部腔体钢管进行加强,可以更有效地提升构件承载能力[6-11],同时端部腔体钢管加强可以提高构件延性。

选取平面内长度较长的钢管混凝土束剪力墙进行端部钢管加强,选取的剪力墙如图5所示。在其他因素不变的情况下,对端部腔体钢管壁厚为6～12mm的钢管混凝土束剪力墙进行分析,结果见表4,混凝土损伤的影响情况见图6,得出以下结论:

表4 端部腔体钢板厚度对结构性能的影响对比

图5 端部腔体钢管加强墙体

图6 端部腔体钢板厚度对混凝土损伤的影响

(1)端部腔体钢管壁厚增大,最大层间位移角无明显变化,罕遇地震下最大层间位移角满足标准限值1/70。

(2)端部腔体钢管壁厚增加,底层总剪力变化不明显。

(3)仅端部腔体钢管壁厚增大,钢管混凝土束剪力墙刚度变化不明显,结构构件内力和墙体轴压比变化不明显。

(4)就本算例而言,端部腔体钢管壁厚增大,钢管混凝土束剪力墙端部腔体内混凝土损伤轻微改善,中部混凝土损伤无明显变化,整体构件性能水平无明显改善。

(5)端部腔体钢板厚度增大,用钢量增大不明显。

3.4 结构高度对结构性能的影响

在其他因素不变的情况下,对不同高度的结构做对比分析,结果见表5,混凝土损伤的影响情况见图7,可以得出以下结论:

表5 不同结构高度下结构性能对比

图7 结构高度对混凝土损伤的影响

(1)结构高度增大,最大层间位移角没有明显变化,罕遇地震下最大层间位移角满足标准限值1/70。

(2)结构高度增大,罕遇地震下底部区域剪力墙损伤加大,刚度退化程度加剧,底部总剪力减小。

(3)结构高度增加,底层边墙KQ1的最大弯矩和最大剪力增大,当高度达到54m后,最大弯矩开始减小,最大剪力继续增大,反映了底层钢管混凝土束剪力墙抗弯屈服,抗剪不屈服,符合“强剪弱弯”的设计原则;底层电梯井外圈墙KQ2的最大弯矩和最大剪力降低,反映了剪力墙抗弯和抗剪均屈服;随高度增大,层数增多,钢管混凝土束剪力墙轴压比增大。

(4)结构高度增加,构件性能水平降低,混凝土损伤明显增长,当高度增加至54m时,剪力墙抗弯屈服,横截面损伤因子超过0.9的面积最大达到30%,其余70%的混凝土横截面损伤因子未达到0.9,可为剪力墙提供足够的竖向承载力,混凝土损伤增长方向由水平发展转为竖向发展。

4 结论和建议

据文献[5]及本文的研究,某钢结构住宅工程项目采用钢框架-延性钢板墙结构体系,用钢量约250kg/m2,与同高度钢管混凝土束剪力墙结构体系测算用钢指标相比,该体系用钢量明显减少,说明该体系在9度抗震设防区也有较好的应用场景。

(1)随着钢板厚度、混凝土强度等级、钢管混凝土束剪力墙厚度、端部腔体钢管壁厚和结构高度增加,罕遇地震下的最大层间位移角变化不大。

(2)随着端部腔体钢管壁厚增大和混凝土强度等级提高,底层总剪力、剪力墙刚度和内力无明显变化,其中混凝土强度等级提高,罕遇地震下的抗弯抗剪承载力有明显提升,损伤减小。

(3)当钢板厚度、钢管混凝土束剪力墙厚度增加和混凝土强度等级提高时,混凝土损伤明显减小,其中当钢板厚度超过6mm和剪力墙厚度超过150mm时,对混凝土损伤的改善效果降低。

(5)当结构增加至一定高度时,会出现底层剪力墙抗弯屈服,抗剪未屈服,屈服模式较为理想,也符合“强剪弱弯”的抗震设计原则,这说明在同样布置和同样的钢管束截面条件下,有一个合适的高度适用范围,使其罕遇地震下的符合先抗弯屈服耗能、后抗剪屈服的理想屈服模式。

(6)当钢板厚度为4mm和钢管混凝土束剪力墙厚度为130mm时,罕遇地震下混凝土损伤严重。在9度抗震设防区采用该结构体系时,建议下部楼层的钢板厚度不宜小于6mm,钢管混凝土束剪力墙厚度不宜小于150mm;提高混凝土强度等级是提高钢管混凝土束剪力墙罕遇地震下承载力的最有效手段,设计中宜优先考虑;钢管混凝土束剪力墙厚度增大违背了“强剪弱弯”的原则,不应仅采用钢管混凝土束剪力墙厚度增大的方式对构件进行加强;9度抗震设防区下钢管混凝土束剪力墙结构最大适用高度不宜超过54m。