钢框架双钢板内填混凝土剪力墙有限元分析.pdf

1 4 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第4 1 卷第 3期 2 0 1 5年 6月 钢框架双钢板内填混凝土剪力墙有限元分析 朱晓蓉 ， 赵宝成 ， 徐基磊 ( 1 苏州科技学院土木工程学院， 江苏 苏州2 1 5 0 1 1 ； 2 苏州达门建筑设计有限公司， 江苏 苏州2 1 5 0 0 0 ) 摘要： 钢框架双钢板内填混凝土组合剪力墙是一种新型的双重抗侧力结构体系。应用 AB A Q U S有限元软件， 对 试件进行有限元模拟， 分析试件的滞回曲线、 骨架曲线、 刚度退化曲线来研究钢框架一 双钢板内填混凝土组合剪力 墙的受力性能； 简单概述了钢框架双钢板内填混凝土组合剪力墙的影响因素。结果表明： 试件的耗能能力较强， 承 载力 高 ， 抗震性能较好 。 关键词 ： 双钢板组合剪力墙； 受剪承载力； 抗震性能； 骨架曲线 中图分类号 ： T U 3 9 8 2 文献标 志码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 81 9 3 3 I 2 0 1 5 ) 0 3 0 1 40 4 Re s e a r c h o n b e ha v i o r o f s t e e l f r a m e wi t h b i s t e e 1 p l a t e c o m p o s i t e s h e a r wa l l i n fil l e d c o nc r e t e Z HU Xi a o r o n g ， Z HAO B a o c h e n g ，XU J i l e i ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S U S T ， S u z h o u 2 1 5 0 1 1 ， C h i n a ； 2 S u z h o u D a m e n A r c h i t e c t u r a l D e s i g n C o ， L t d ， S u z h o u 2 1 5 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： S t e e l fl a me wi t h 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 i n fi l l e d c o n c r e t e i s a n e w- t y p e d o u b l e r e s i s t a n c e t o l a t e r a l f o r c e s t r u c t u r e s y s t e m I n o r d e r t o g e t me c h a n i c al p e r f o r ma n c e o f s t e e l fla me wi t h 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 i n f i l l e d c o n c r e t e ， s p e c i me n wa s s i mu l a t e d t o a n a l y z e h y s t e r e t i c c u r v e s ， s k e l e t o n c u r v e s ， 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 ， b e a r i n g c a p a c i t y d e gra d a t i o n c u r q e b y t h e f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r e A B A Q U S T h e c t o m a f f e c t i n g s t e e l fl a m e w i t h b i s t e e l p l a t e c o m p o s i t e s h e a r w al l i n f i l l e d c o n c r e t e w a s s u mma r i z e d T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e s p e c i me n h a d s t r o n g e n e r g y d i s s i p a t i o n a b i l i t y ， h i g h b e a r i n g c a p a c i t y a n d g o o d s e i s mi c pe rfo r ma nc e Ke y wo r d s： 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 all ； s h e a r c a p a c i t y ； s e i s mi c b e h a v i o r ； s k e l e t o n c u r v e 0 引 言 组合剪力墙是在钢板 剪力墙基础 上衍生而来 ， 由钢板与混凝土板一起 协同工作 ， 构成一种抗侧力 较强的构件 。目前 ， 国内外学者对组 合剪力墙进行 了一系列试验及理论研究 。根据组合剪力墙 的构造 形式不同大致分为： 单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 等人研究 了 单钢板组合剪力墙的受 力情况 ； 管娜 等人对单钢 板组合剪力墙混凝 土板 厚度变化进行抗 剪性能分 析 。试验及理论表 明， 单层钢板组合剪力墙处在小 收稿 日期 ： 2 0 1 4 -0 6 - 0 3 作者简介 ： 朱晓蓉 ( 1 9 8 8一) ， 女 ， 江苏大 丰人 ， 硕士研究生 ， 主要从事 钢结构抗震性能研究。 通讯作者 ： 赵宝成( 1 9 7 0一) ， 男 ， 内蒙古 赤峰人 ， 副教授 ， 博士 ， 主要 从事钢结构抗震性能研究。Em a i l ： z h a o b c 2 0 0 0 1 6 3 c o i n 基金项 目： 江 苏省 普 通 高校 研 究生 科 研 创新 计 划 项 目( C XL X1 2 0 8 7 0 ) ； 苏州科技学 院科研基金 ( X K 70 1 2 0 6 ) E m a i l ： 5 1 1 7 6 8 9 2 7 q q t o m 震作用下非常有利 ， 但 当暴露在外侧 的混凝土在大 震作用下易发生开裂剥落， 对钢板的约束作用减弱， 使得组合剪力墙的承载力急剧下降。为了改善单钢 板组合剪力墙的缺点 ， 学者们提 出了双钢板 内填混 凝土组合剪力墙结构 ， 对该结构进行试验和理论分 析。E m o r i 、 L i n k 、 A n w a r H o s s a i n K M 、 聂建 国 J 、 纪晓东 7 1 等通过试验研究和理论分析结构的 破坏形态 。研究表明： 该 类双钢板组合剪力墙具有 较好 的延性 、 耗能能力较强 、 避免混凝土裂缝外露等 优点 ， 但对钢框架双钢板组合剪力墙 的受力过程 以 及影响因素还没确切的定论。为研究钢框架双钢板 内填混凝 土组合 剪力墙 中的受力 性 能， 本 文应 用 A B A Q U S 有限元软件对该结构体系进行了详细分 析 ， 并简单概述了该结构的影响因素。 1 有限元计算模型的建立 1 1 试件的设计参数 引用文献 8 中的结构布置及荷载工况来设计 朱晓蓉， 等： 钢框架双钢板内填混凝土剪力墙有限元分析 1 5 试件 ， 试件梁柱截面参数及相关尺寸如图 1 所示 ， 钢 板 、 H型钢梁和钢柱均采用 Q 2 3 5钢。墙体钢板厚 6 mm， 混凝土强度等级为 C 2 5 ， 双钢板之间设 置加 劲 板 ， 加劲板的厚度为 6 m m。试件组成如 图 1所示 。 框 架 钢板 加劲 板 框架柱 H4 5 0 X3 0 0 X 1 6 X2 0 框架粱 H4 5 0 X4 5 0 X 1 6 X2 4 4 4 0 1 1 132 1 1 13 146 150 13 14 1 132 1 t 44 0 图 1 试件组成 Fi g 1 Cons t i t ut i o n o f s pe c i me n 1 2有限元模拟验证 以文献 9 中 S C S W1试件为验证对象 ， S C S W1 构件尺寸见 图2 。 II I II u 钉一 ： JI JI l 隔板 对拉栓钉 抗剪螺栓 图 2 S C S W1 试件尺寸 F i g 2 Di m e n s i o n s o f S CS W 1 s p e c i m e n 通过 A B A Q U S建立有 限元模型 ， 比较有限元模 型和试验得到双钢板组合剪力墙 的滞回曲线和骨架 曲线 。剪力墙高 2 1 6 0 mm， 厚度 为 1 2 0 m m， 宽度为 1 2 0 0 m m， 钢板厚度 8 m m， 隔板数量 3个 ， 抗剪螺栓 和对拉栓钉都为 西 8 1 6 0 ， 混凝土强度等级为 C 3 0 。 钢板 、 混凝土均采用实体单元 ( C 3 D 8 R) 来模拟 ， 钢 板和加劲板通过 me r g e形成 一个整体 ， 钢板与混凝 土之间的接触关系 ： 法向采用硬接触模型 ， 切 向采用 库伦摩擦模型 ， 摩擦系数取 0 6 L l 。双钢板 内填混 凝土组合剪力墙底部全部固接。混凝土本构模型选 用 A B A Q U S 提供的塑性损伤模型， 关系模型见图 3 。钢材本构选用 V o n Mi s e s 模 型 ， 应力一 应 变曲 线见图 4 。 图 3 混凝土应力一 应变关 系 F i g 3 Re l a t i o n o f s t r e s s a n d s t r a i n o f c o n c r e t e 图 4 钢材应力一 应变关 系 F i g 4 Re l a t i o n o f s t r e s s a n d s t r a i n o f s t e e l 采用位移控制法对模型施加荷载 ， 不考虑竖向 荷载 ， 只考虑水平荷载。为了防止应力集 中， 在梁上 翼缘与加载点进行耦合 ， 并约束梁上翼缘 的发生面 外位移。 图 5 ( a ) 为有 限元模 拟得 到的滞 回曲线 ， 图 5 ( b ) 为试验滞 回曲线 ， 两者形 状大致相同， 但模拟出 的滞 回曲线比试验 的滞 回曲线饱满些 ， 主要是 由于 有限元模拟时， 材料是完全均质的， 但实际模型中的 材料存在一定的离散性 ， 有 限元不能完全模拟 出混 凝土的压溃等真实现象 。 -3 O 一 2 0 - 1 0 0 1 0 2 O 30 3 0 - 2 0 1 0 0 1 0 2 O 3 0 ( a ) 模拟曲线 ( b ) 试验曲线 图 5 滞 回曲线对 比 F i g 5 Co mp a r i s o n o f h y s t e r e t i c c u r v e 图6为有限元模拟与试验骨架曲线对比， 从图 中可以看出， 两条骨架 曲线的极限承载力基本吻合 ， 其误差只有 1 1 。综 上所述 ， 该有 限元模拟 方法 还是可行的。 2 0 1 5 N o 3 韩长菊 ， 等： 昆钢钢渣微粉对混凝土耐久性能的影响 2 7 3 ) 基准混凝土和掺钢渣粉混凝 土都具有 良好 的抗渗性， 掺钢渣粉的混凝土抗渗性略好于基准混 凝 土 。 4 ) 基准混凝土 和掺 钢渣粉混凝土 的收缩率都 较小 ， 掺入钢渣粉后混凝土收缩率增大。 5 ) 钢渣粉 、 矿渣粉的水化较慢 ， 2 8 d水化产物 中 有明显 的针状钙矾石 ， 粉煤灰 的水化最慢 ， 2 8 d水 化产物 中还有完整的粉煤灰颗粒。 参 考 文 献 ： 1 栾景丽， 李文斌， 屈云海 昆钢钢渣资源化利用的研究 J 中 国资源综合利用 ， 2 0 0 9 ( 4) ： 1 9 - 2 1 2 张同生 ， 刘福 田， 王建伟 ， 等 钢渣 安定性与活性 激发 的研究进 展 J 硅酸盐通 报 ， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 5 ) ： 9 8 0 8 4 3 朱桂林 ， 孙树杉 钢渣成分对钢渣粉活性 的影响 J 中国钢铁 业 ， 2 0 1 0 ( 9 ) ： 2 0 2 4 4 侯贵华 ， 王 占红 ， 朱祥 钢渣 的难磨 相组成 及其胶 凝性 的研 究 J 盐城工学院学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 3 ( 1 ) ： 1 - 4 5 金强 ， 贺鸿珠 ， 杨刚 ， 等 宝钢钢渣在 混凝 土材料 中资源化 应用技术研究 J 宝钢技术 ， 2 0 1 0 ( 3) ： 1 9 2 1 6 孙式 霜， 杨海娥 钢渣 粉替代 水泥配 制 R P C的试 验研究 J 山东交通学 院学报 ， 2 0 1 1 ， 1 9 ( 3 ) ： 6 1 - 6 5 7 吴伟伟 ， 杨钱荣 钢渣水硬活性及在水 泥混凝土 中的应 用研 究 进 展 J 粉煤灰综合利用 ， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 5 1 _ 5 4 8 朱桂林 ， 杨景玲 ， 李可 ， 等 生产钢渣 粉是钢渣高价值 利用 的 重要途径 J 冶 环境保护 ， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 3 1 - 3 6 9 卞 庆汉 ， 吴学权 ， 唐 明述 从 资源学 与能源 学角度研 究钢 渣在 建材工业 中的应用 J 江苏建材 ， 1 9 9 2 ( 2 ) ： 1 6 1 9 1 0 陈德玉 磨细钢渣掺量对水泥和混凝土性能的影响 J 有色 金 属 ， 2 0 0 8 ， 1 1 ( 4 ) ： 1 3 1 - 1 3 4 1 1 施惠生 钢渣对水泥混凝土性能影响的研究进展 J 水泥技 术 ， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 2 9 - 3 4 ( 上接第 1 7页) 及角部压应力较大 ， 框架柱脚 和钢板墙底部发生 明 显的面外鼓出破坏。 2 ) 影响钢框架双钢板组合剪力 墙的主要 因素 有钢板厚度 、 剪力墙的剪跨 比， 次要因素是混凝土板 厚度 。 3 ) 钢框架双钢板 内填混凝 土组合剪力墙滞 回 曲线饱满 ， 耗能能力较强 ， 承载力高 ， 结构的抗震性 能较好 ， 内力分配合理 。 参 考 文 献： 1 李 国强， 张晓光 ， 沈祖炎 钢 板外包混 凝土剪 力墙板 抗剪滞 回 性能试验研究 J 工业建筑 ， 1 9 9 5 ， 2 5 ： 3 2 3 5 2 管娜 ， 张素梅 ， 郭兰慧 ， 等 两边连接 钢板混凝土组 合剪 力墙 试验研究 与理论分析 C 庆祝刘锡 良教授八 十华诞 暨第八 届 全国现代结构工程学术研讨会论文集 ， 2 0 0 8 1 3 l E m o r i KC o m p r e s s i v e a n d s h e a r s t r e n g t h o f c o n c r e t e f i l l e d s t e e l b o x w a l l J S t e e l S t r u c t u r e s ， 2 0 0 2 ， 6 8 ( 2 ) ： 2 9 -40 4 L i n k R A， E l w i A E C o m p o s i t e c o n c r e t e - s t e e l p l a t e w a l l s ： a n a l y s i s a n d b e h a v i o r J J o u r n a l o f s t r u c t u r e s E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 5， 1 2 1 ( 2 )： 2 6 0 2 71 5 A n w a r H o s s a i n K M， Wfi s h t H D E x p e ri m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l b e h a v i o u r o f c o mp o s i t e w a l l i n g u n d e r i n - p l a n e s h e a r J J o u r n a l of C o n s t ruc t u r a l S t e e l R e s e a r c h ， 2 0 0 4 ， 6 0 ( 1 ) ： 5 9 - 8 3 6 聂建 国，h 凡民 ， 樊健生 低 剪跨 比双钢板一 混凝 土组合剪力墙 抗震性能试验研究 J 建 筑结构学报 ， 2 0 1 1 ( 1 2 ) 7 纪晓东， 蒋飞明， 钱稼茹， 等 钢管一 双层钢板一 混凝土组合剪力 墙抗震性能试验研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 1 3 ( 6 ) ： 7 5 -82 8 孙 国华 半刚接钢框架 内填 R C墙 结构滞 回性能研究 D 北 京 ： 北京工业大学 ， 2 0 1 0 9 李健 ， 罗永峰 ， 郭小农 ， 等 双层钢板组合 剪力墙抗震性 能试 验研 究 J 同济 大 学 学报 ： 自然科 学 版 ， 2 0 1 3( 1 1 ) ： 1 6 3 7 1 6 4 0 1 O 韩林海 钢管混 凝土结 构 理论 与实践 M 北 京 ： 科学 出 版社 ， 2 0 0 7 1 1 张鹏 钢 一 混凝 土 组合 框 架 滞 回性 能 非 线性 有 限 元 分 析 D 长沙 ： 中南大学 ， 2 0 1 1 1 2 干淳洁 ， 吕西林 内置钢板钢筋混凝土剪 力墙非线性仿真研 究 J 建筑结构学报， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 9 7 1 0 2