内置钢管混凝土剪力墙非线性分析.pdf

李亚娥等 ： 内置钢管混凝土剪力墙非线性分析 4 7 内置钢管混凝土剪力墙非线性分析 李亚娥， 郝智海， 唐雨虹， 吴德良 ( 兰州理工大学土木学院。 兰州7 3 0 0 5 0) 【 摘要】 采用有限元软件 A B A Q U S 对内置钢管混凝土剪力墙做单调水平荷载及往复荷载下进行非线性分 析， 揭示影响墙体承载力的影响因素， 为便于比较 ， 做了一片与之含钢率相同的普通钢筋混凝土剪力墙， 做了对比 论述 。 【 关键词】 钢管混凝土； 剪力墙 ； 荷载位移曲线； 滞 回曲线； 含钢率 【 中图分类号】 T U 3 7 5 【 文献标识码J A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 9 0 0 4 7 0 3 NoNLI NEAR ANALYS I S ON CoNCRETE- FI LLED S TE EL r UB E S I 玎 R W ALL L I Y a e，HAO Z h i h a i ，T ANG Yu - h o n g ，WU De l i a n g ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i ， L a n z h o u U n i v o f T e c h n o l o g y ， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ： To d i s c u s s t he f a c t o r s，wh i c h i n flu e n c e s wa l l b e a r i n g c a pa c i t y，i t i s s t u d i e d a b o u t the n o nl i n e a r a n a l y s i s o f c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e s h e a r wa l l wi t h the fini t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t ware A B A Q U S I t i s p r o p o s e d t h e m o n o t o n i c h o ri z o n t a l l o a d s a n d r e c i p r o c a l l o a d s c o m p a r i n g t o t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h e a r wall d u e t o t h e s a me s t e e l r a t i o Ke y wo r d s： c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e c o l u mn s；c o n c r e t e s he a r wall ；c u r v e s o f r e a c t i o n f o r c e a nd d i s p l a c e me nt ；h y s t e r e t i c c u r v e；s t e e l r a t i o 钢 一 混凝土组合剪力墙已经在高层及超高层建 筑 中广泛应用。钢 一混凝土组合剪力墙的形式有很 多， 可以将型钢、 钢管、 钢板等和混凝土在剪力墙的不 同部位进行不同形式的组合。普通剪力墙一般 以 剪切、 弯曲破坏为主， 抗震性能较差。为提高剪力墙 的抗震性能不少学者提出了改进方案。李惠等 首 次提出钢管混凝土耗能低剪力墙， 即把普通剪力墙沿 横向断开 ， 中间以钢管柱联系， 研究表明此耗能剪力 墙的破坏发生在钢管混凝土柱上， 而其余部分完好 ， 从而给震后修复工作带来方便。能充分利用钢管混 凝土柱的良好滞回性能， 消耗地震能量。徐利华等 J 以框筒结构， 整体研究了钢管混凝土排柱剪力墙的动 力性能。但 以分离式建模有限元研究单独的墙体和 试验研究 还很少。 1 材料 的本构 1 1 输 入 A B A Q U S中的混凝土本构参数 选用 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ( 混凝土结构设计规范 J 所提供的混凝土本构模 型。 表 1 混凝土弹塑性参数 混凝土压缩应力与非弹性应变见表 2 。 表 2 混凝 土压缩应 力与非弹性应变 混凝土拉伸应力与非弹性应变见表 3 。 1 2 输入 A B A Q U S中的钢材本构关系 表 3 混凝土拉伸 应力与非弹性应变 低温建筑技术 2 0 1 2年第 9期( 总第 1 7 1 期 ) 表4 钢材及钢管本构关系 2模 型的建立 普通钢筋混凝土 内置钢管混凝土 图 1 剪力墙模型 如图 1 本文设计了两个试件 ， 普通钢筋混凝土剪 力墙为 S W1 和内置钢管混凝 土剪力墙 为 S W2 ， ( 以下 均以代号简称) 墙体尺寸为： 长 8 0 0 n u l l ， 宽 1 6 0 n l l l l ， 高 1 0 0 0 ra m， 设定含钢率为3 。其中 S W1 竖向受力筋为 2 2 d M4 7 5 ， 箍筋为 1 3 + 1 o 8 0 ； S W2沿墙体均匀设置 了三个管长、 外 径及 壁厚分 别 为 9 6 0 、 6 0和 5 m m的钢 管， 钢管间距为3 0 0 m m， 竖向受力钢筋为 1 2 1 0 1 5 0 ， Z 箍筋同样为 1 3 1 0 8 0 。竖 向受力筋与箍筋形成骨 架， 整体嵌 固于混凝土中； 钢管和混凝土的约束关系 采用 T i e 接触 。这样混凝 土、 钢管 与钢筋 变形 协调 ， 共 同受 力 。为加 载力 的方便 ， 在 每堵 墙 上 加 一 根 钢 梁， 钢梁与混凝土也用 T i e 约束。 在单元的网格划分过程中， 钢筋、 钢管与混凝土 共用节点 ， 即钢筋单元与混凝土单元、 钢管与混凝 土单元划分保持一致 ， 具有相同的坐标值。 数值模拟采用荷载控制和位移控制两种加载方 式， 首先轴力通过面压力 的形式施加， 其 初始值 为 2 8 6 M P a ， 然后使其在梁端加载的过程 中一直存在， 且 大小 不变 。由于荷 载 一位移加 载制 度 中何 时采 用位 移加载 比较难 确 定 ， 而且 在 有 限元 分 析 中 也 很难 实 现， 所以在施加单调荷载时， 只通过加载单调位移； 反 复荷载阶段只通过位 移控制施加低周反复荷载 。 3有限元结果分析 分析 了 S W1和 S W2在 不同轴 压 比， 不 同混 凝 土 强度等级的情况下承载力的变化。 3 1 轴 压 比不 同时 由图2可见， 轴压比为0 4的普通钢筋混凝土剪 力墙极限承载力仅仅比轴压比为0 2的普通钢筋混凝 土剪力墙略有增大。由图 3可见， 内置钢管混凝土墙 体在高轴向压力作用下， 刚度增加， 强化段略有增长， 稳定增长期也只是略有增长。所以轴压比不能显著 的增大组合结构的承载力。以上曲线的共 同特点是 都没有下降段 ， 曲率延性好 ， 所以对承载力影响较小 的情况下 ， 轴压比在一定范围内的增长提高了结构的 延性性能 ， 对抗震性能贡献较大。 3 2 混凝土强度等级不同时 位移， 瑚 位移， 图2 s wl 荷载一 位移曲线 图3 s w2 荷载一 位移曲线 当混凝土强度为 C 4 0时， 普通钢筋混凝土剪力墙 ( 图4 ) 在单调荷载作用下， 位移达到 3 7 m m时屈服， 屈服荷载为 7 0 k N， 位移达到 5 8 7 m m时， 结构达到极 限承载力 1 1 5 9 k N； 内置 钢管混 凝 土剪力 墙 ( 图 5 ) 位 移达到 1 6 6 m m时屈服 ， 屈服荷载为 1 2 7 8 k N ， 位移达 到 5 1 8 ra m 时 ， 结 构 达 到 极 限 承 载 力 最 大 值 为 1 4 8 8 k N 。后者 的屈服荷载是前者 的 1 8 倍 ， 极 限承载 力是前者 的 1 3倍 。承载力有显著提高 。普通钢筋混 Z 位移 m 图4 S W1 荷载一 位移曲线 凝土剪 力墙 的荷 载 一位移 曲线 在达 到极 限荷 载 以后 下降段 比较迅 速 ， 而内置钢管混凝 土剪力墙 的荷 载 一 位移曲线 的下降 段要 平缓 得多。这是 因为普 通 钢筋 混凝土剪力墙的墙体是脆性材料 ， 混凝土退 出工作后 承载力 降低 较快 ， 而钢管 混凝 土柱 的加入 ， 改善 了剪 力墙 的受力性 能 ， 在混 凝土发生破坏 后依然 提供 较大 的承载力 ， 延缓 了结构 的破坏 ， 提高了结构 的延性 。 由图 4及 图 5可见 ， 随着混凝 土等级 的增加 ， 组合 李亚娥等： 内置钢管混凝土剪力墙非线性分析 4 9 1 6 0 z 1 2 0 8 0 4 0 0 0 0O2 0 0 4 00 6 0 O 8 0 1 位移， m 图5 S W2 荷载一 位移 陆线 结构的极限承载力及强化段的刚度提高， 对于普通钢 筋混凝土剪力 墙 C A 0的极 限承 载力较 C 3 0的极 限 承 载力提高 了2 0 ， 对 于内置钢管混凝土剪力墙 C 4 0的 极限承载力较 C 3 0的极限承载力提高了4 3 3 。所 以混凝土强度的提高， 提高了水平承载力的能力。这 说明， 随着混凝土强度的增加， 使得材料拉压性能更 为良好， 墙体的破坏范围也降低了不少。 对 比以上两 组 曲线可 以看 出随着混 凝 土强度 的 增大， 曲线初始上升段得斜率增大， 峰值也迅速增大， 但是曲线达到峰值后下降段 的速率也增大， 说明随着 强度等级的提高， 混凝土趋向于“ 硬” 和“ 脆” ， 且钢管 对核心混凝土的约束作用效应也相对减小， 因此剪力 墙极限承载力提高的同时， 延性在降低 ， 但是降低幅 度不大 。 3 3 循环荷载作用下各墙体滞回曲线 厂一5 1 I - 0 _ 0 5 0 I L f U I m ( a ) S WI | - u o- 一 = = = = n I 曼暑 _ 一，一 U I m C o ) S W2 图6 各剪力墙滞回曲线 从图 6可见 ， 图 6 ( a ) ， 曲线从零 开始 ， 首先迅速达 到一个峰值 ： 8 4 0 k N， 然后 曲线 反向减小再增 大 ， 曲线 呈平行 四边形形状 ； 图 6 ( b ) ， 曲线依 旧从零开始 ， 首先 迅速达到峰值 1 9 6 1 k N， 然后曲线减小再增大， 曲线逐 渐呈饱满 的平行 四边形形 状 。随着 循环 次数 的增多 ， 包络线包裹的区域逐级增大， 其 曲线越来越饱满， 没 有出现衰减。 普通钢筋 混凝 土剪 力墙 最 大水 平承 载力 为： 1 2 1 7 k N， 内置钢管混凝土剪力墙最大水平承载力为： 3 2 7 5 k N 。后者比前者有很大的增长 ， 增大了 1 6 0 。 滞回曲线是结构抗震性能的综合体现 ， 曲线的饱满 程度与构件的耗能能力密切相关， 很明显内置钢管混 凝土剪力墙滞回曲线更饱满 ， 滞回瞳线的外包络线所 包围的面积更大， 且曲线更圆滑， 位移延性更佳 ， 具有 更好的弹塑性变形性能， 耗能能力显著增强。 4结语 ( 1 ) 轴压比在一定范围内的增长提高了剪力墙 的承载力与延性性能 ， 但影响很小 。 ( 2 ) 混凝土强度的增长可以极大的提高整体结 构的承载力， 增长程度明显大于轴压比的影响。 ( 3 ) 较之普通钢筋混凝土剪力墙 ， 内置钢管混 凝土剪 力 墙 的 屈服 荷 载 增 大 8 0 ， 极 限荷 载 增 3 0 。 ( 4 ) 内置钢管混凝土剪力墙由于钢管良好的塑 性变形， 相对于普通剪力墙， 其耗能能力显著增大， 增 大 了 1 6 0 。 参考文献 1 廖飞字， 陶忠， 韩林海 钢 一 混凝土组合剪力墙抗震性能研究 简述 J 地震工程与工程振动， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 5 ) ： 1 2 9 1 3 5 2 李惠， 徐强， 吴波 钢管混凝土耗能低剪力墙 J 哈尔滨建 筑大学学报 ， 2 0 0 0。 3 3 ( 2 ) ： 1 8 2 3 3 李亚娥 ，徐利华 钢 管混凝土排 柱剪 力墙 的框筒结 构抗震性 能分析 J 甘肃科学学报 ， 2 0 1 0， 2 2 ( 2) ： 8 7 9 O 4 G B 5 0 0 1 02 0 1 0， 混凝土结构设计规范 S 5 王金 昌， 陈页开 A B A Q US在土木 工程 中的应用 M 杭州 ： 浙 江大学出版社 ， 2 0 0 6 6 曾攀 有 限元分析及其应 用 M 北京： 清 华大学 出版 社 ， 2 0 0 4 7 干淳洁， 吕西林 内置钢板钢筋混凝土剪力墙非线性真研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 5 )： 9 71 0 2 8 薛建 阳 钢与混凝 土组合结构 M 武汉 ： 华中科技大学版社 2 0 0 7： 3 7 8 收稿 日期 2 0 1 204 1 8 作者简介 李亚娥( 1 9 6 5一) ， 女， 西安人， 副教授， 硕士生导 师 ， 研究方 向： 复杂高层剪力墙。 Z】 I J