钢框架双钢板内填混凝土剪力墙抗震性能分析.pdf

2 0 1 4年第 9期 9月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 4 No 9 Se p t e mbe r 钢框架双钢板内填混凝土剪力墙抗震性能分析 朱晓蓉 一 ， 赵 宝成 ， 赵书全 。 ， 徐基磊 ( 1 苏州科技学院 土木工程学院 ， 2 1 5 0 1 1 ； 2 苏州达门建筑设计有限公司 ， 2 1 5 0 0 0 3 青海省建筑建材科学研究院， 西宁 8 1 0 0 0 8 ) 摘要 ： 应用 A B A QUS有 限元软件 ， 对铜框 架双钢板组合剪 力墙试件进行模拟计算。 通过 改变结构 中内填混凝 土板厚度 、 钢板厚度 、 混凝土 强度及 剪跨 比等参数来分析结构的 骨架曲线、 滞 回曲线和 刚度退化 曲线。计 算结果表 明： 试件极 限承 载力受钢板 厚度 以及剪跨 比的影 响较 大 ， 受混凝 土强度 等级和混凝土板厚度影响较 小； 试件钢板厚 度越 大、 剪跨 比越 小、 混凝土板厚度 增大 、 混凝土强度 等级提 高， 试件的滞 回曲线饱满 ， 耗能 能力较 强 ， 抗震 性能较 好 。 关键 词： 钢框架 ； 双钢板组合 剪力墙 ； 骨架曲线 ； 抗震性能 Ab s t r a c t ：S t e e l fla me b i - s t e e l - p l a t e c o mp o s i t e s h e a r w a l l s s p e c i me n s we r e s i mu l a t e d u s i n g t h e f i n i t e e l e me n t s o ft w a r e A B A Q U S T h e e f f e c t s o f t h e i n f i l l e d c o n c r e t e w a l l t h i c k n e s s ， s t e e l - p l a t e s t h i c k n e s s ， c o n c r e t e s t r e n g t h a n d s h e a F s p a n r a t i o o n t h e s p e c i me n p r o p e r t i e s w e r e a n a l y z e d b a s e d o n t h e s k e l e t o n c u r v e ，h y s t e r e s i s c u r v e a n d s t i f f n e s s d e g r a d a t i o n c u r v e T h e a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t t h e u l t i m a t e l o a d i s m o r e a f f e c t e d b y s t e e l - p l a t e t h i c k n e s s a n d s h e a r s p a n r a t i o b u t l e s s a f f e c t e d b y c o n c r e t e s t r e n gth a n d c o n c r e t e- p l a t e t h i c k n e s s ；w i t h t h e i n c r e a s i n g o f s t e e l p l a t e s t h i c k n e s s ，c o n c r e t e s t r e n g t h a n d c o n c r e t e w a l l t h i c k n e s s a n d t h e d e c r e a s i n g o f s h e a r s p a n r a t i o ， t h e h y s t e r e t i c c u rve i s f u l l ，e n e r g y d i s s i p a t i o n c a p a c i t y i s s t r o ng a nd t h e s e i s mi c c a p a c i t y i s g r ea t ； Ke y wo r d s ： S t e e l fla me ；B i - s t e e l - p l a t e c o mp o s i t e s h e a r wa l l ； S k e l e t o n c u r v e； S e i s mi c b e h a v i o r 中图分类号 ： T U 3 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4) 0 9 6 2 0 6 Q前 言 高层建筑在世界各地拔地而起 ， 剪力墙作为高 层建筑 的主要抗侧力构件 ，具有较高 的承载力 、 较 好的延性等特点【 ” ， 组合剪力墙就是其形式之一。根 据结构构造的不 同， 可分 为单层钢板混凝土组合剪 力 墙和 双层 钢板组 合 剪力墙 。李 国强 、 张 晓光l 2 _ 3 1 等 、 徐悦4 1 、 宗丽杰_5 1 、 张素梅阎 、 管娜同 、 刘桂然嗍 等对单层 钢板混凝土组合剪力墙进行了一系列试验研究 、 有 限元模拟及理论分析 ， 发现单层钢板组合剪力墙 的 混凝土在大变形的情况下易发生脱落 ， 对钢板失去 约束作用 ， 降低了结构 的延性和耗能能力 。目前 ， 已 有 国内外学者对双钢板 内填混凝土组合剪力墙进 行 了类似研究 。E mo r 9 1 对内置横向和纵向加劲肋 的 双钢板组合剪力墙进行了试验研究， A n w a r Ho s s a i n K M 0 1 研 究了压型钢板内填混凝土组合剪力墙在施 工阶段和使用阶段的性能。 N An a n d a v a l l i I “ 对双钢板 内填混凝土在爆破 荷载作用下 的理论研究及数字 模拟 。他们 的研究主要适用于核电站 ， 异型结构等 。 聂建国 1 2 - 1 4 1 等 、 祝文君【 悯、 谢京臣【垌 、 纪晓东【 7 对栓钉 基 金 项 目 ：江 苏 省 普 通 高 校 研 究 生 科 研 创 新 计 划 项 目 ( C X L X1 2 0 8 7 0 ) ； 苏 州科技学 院科研基金 ( X K Z 2 0 1 2 0 6 ) 。 一 62一 连 接 的双 钢 板 内填 混 凝 土 组合 剪力 墙 进 行 了 深 入 的试验研究 、 理论推导及有限元模拟 。结果表明这 种结构体 系不仅拥有一般组合 剪力墙所具备 的承 载力高 、 抗侧力强 、 延性好及耗能优等特性 ， 而且结 构体 系中的两种组成材料能够充分发挥各 自的优 势 ， 内填 的混凝土可 以防止两外侧钢板屈 曲， 也提 高了抗火能力 ，同时两侧钢板在施工时充当了模 板 ， 这样 既节 约 了材料 又缩 短 了工期 。 在前人研究基础上 ， 本文提出了采用竖向加劲 板连接双钢板 内填混凝土组合剪力墙 。 研究其与钢 框架组成的新型双重抗侧力结构体系 。 即钢框架双 钢板 内填混凝土组合剪力墙。为了研究钢框架双钢 板 内填 混凝 土组 合剪 力 墙 的抗 震 性能 ，共 设计 了 4 个系列共 1 2个试件 利用 A B A Q U S有限元软件对 各 系列试 件进 行抗 震性 能分析 。 1 有 限元计算模型的建立 1 1 有限元结构参数设计 共设计 4个系列试件分别为 ： T I c系列试件 ： 主要 研 究 内填 混 凝 土 板 厚 度 变 化 对 S C S W 结 构 抗 震性能的影 响； T S w 系列试件 ： 通过改变钢板 的 厚度研究其对 S C S W 结构抗震性能的影响；C G 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 朱晓蓉 ， 赵宝成 ， 赵书全 ， 等 钢框架双钢板 内填混凝土剪力墙抗震性能分析 系列 试 件 ： 研究 混 凝 土 强度 对 该 结构 抗 震 性 能 的影 响： (S S R系列试件 ： 通过控制墙体的高度不变、 改 变墙体 的跨度来研究剪 跨 比对 S C S W 结构抗震性 能的影响。组合 剪力墙墙厚 1 5 0 mm， 其内置加劲板 厚为 6 ram钢板均采用 Q 2 3 5 ，混凝 土强度等级为 C 2 5 。B a s e试件其他参数以及 4个 系列的参数见表 1 ， B a s e试件 的构 成 如 图 1 所 示 。 表 1 S C S W1 试 件参 数表 框 架柱 框架 框架 梁 钢板 加劲 板 兰 二 兰 图 1 Ba s e试 件 构 成 图 1 2有 限元模 型 钢框架双钢板内填混凝土组合剪力墙中钢板 、 钢梁 、 钢柱及混凝土均采用八节点线性六 面体单元 缩减积分沙漏控制的实体单元( C 3 D 8 R) ； 钢板墙 、 钢 框架和加劲板通过 m e r g e形成一个整体 ，考虑到实 际加载 中混凝 土板 与两侧 钢板以及加劲 板会产生 摩擦接触 ， 则需定义接触关 系 ， 利用 A B A Q U S中提 供 的接触模 型 法 向为硬接触模 型 ， 切 向采用库伦 摩擦模型 ， 摩擦系数取 0 6 t 8 1 。钢框架双钢板 内填混 凝 土组合剪力墙底部全部 固接 ， 工字梁上翼缘在面 外 X方 向设置约束 ， 限制面外发生位移。 混凝土本构模型选用 A B A Q U S提供 的塑性损 伤模 型， 本构关系选用 丁发兴【 9 】 等提 出的适用 于不 同等级混凝土单轴和多轴受力情况下的本构关系。 钢材本构选用 V o n Mi s e s 模 型， 应力一 应变曲线2 O l 见 图 2 。模型进行低周往复荷载作用下滞 回性能分析 时 ， 采用位移控制法对模 型施加荷载。加载制度见 图 3 0 0 O 2 0 o 4 0 o 6 0 O 8 0 1 0 应 变 图 2 钢材的应力一 应 变曲线 一 JA A A A J ) N1 I U l I 图 3加 载 制 度 1 3模 拟验证 本文 以文献 2 1 中 S C S W1 试件为验证对象 ， S C S W1构件尺寸见图 4和表 2 。 通过 A B A Q U S建立 有限元模型 ， 比较有限元模型和试验得到的低周往 复荷载作用下双钢板组合剪 力墙 的滞 回曲线 和骨 架 曲线 。 lI l I I U 二 _ I 图 4试 件 S C S W1的 尺寸 图 5中的左图为有限元模拟得到的滞 回曲线 ， 图 5中的右 图为试验滞 回曲线 ，两者形状 大致相 同。 但是模拟 出的滞 回曲线 比试验 的滞 回曲线饱满 些 ， 曲线也相对光滑些 ， 主要是 由于有 限元模拟时 ， 一 6 3一 伽枷姗姗瑚抛 0 鲫加O 舳 一 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m