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钢材对L形钢管束高强混凝土组合剪力墙的滞回性能影响

2024-11-21 40 上传者：管理员

摘要：文章采用ABAQUS软件建立试验试件精细化有限元模型，分析钢材、钢板厚度、钢管束厚度对L形钢管束高强混凝土组合剪力墙（ICSW-L）受力性能的影响，验证建模方法、参数设置的正确性和可靠性。对L形钢管束高强混凝土组合剪力墙的足尺模型进行有限元分析，评估钢材强度等参数对该类组合剪力墙滞回性能的影响规律，并给出参数变化所对应的结果。

关键词：
L形
参数分析
双钢板混凝土组合
滞回性能
钢管束高强混凝土组合剪力墙
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1、引言

近年来，双钢板混凝土组合剪力墙结构得到了快速发展。与普通的型钢混凝土相比，两侧钢板可以当作模板来使用，不仅让施工更加便捷，也缩短了施工时间。由于钢板对内填混凝土起到了约束的作用，混凝土强度和耐久性都得到了相应提高，同时钢板屈曲也因为混凝土作用被有效抑制。Clubley K S等[1]在双钢板之间焊接剪力键，通过控制剪力键的分布形式、厚度、间距来评估剪力键对双钢板混凝土组合剪力墙抗震性能的影响。Mydin M A O and Wang Y C[2]进行了12榀双层压型钢板轻质混凝土组合剪力墙的轴压性能试验。曹万林等[3]为探究工字形截面双钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能，设计了6组不同构造的工字形双钢板混凝土组合剪力墙，并进行了低周往复加载试验。马晓伟等[4]对双钢板混凝土组合剪力墙结构进行了数值模拟，建立了双钢板混凝土组合剪力墙的弹塑性有限元模型。

此外通过在钢板混凝土剪力墙边缘增加边框柱，可进一步发挥钢板混凝土剪力墙侧向刚度大和承载能力强的优点，延性行为显著提升。目前，国内外学者[5-7]针对该类结构进行了大量研究，已有结果表明：设置边框的剪力墙获得了更饱满的滞回曲线，在达到峰值后，水平承载力随着载荷的增加而缓慢下降，耗能和延性均得到有效改善。墙体肢长对其抗震性能和变形能力影响较大，含钢率对其影响不明显，钢管混凝土边框内加设斜撑肋更有利于提高剪力墙水平承载力。该类剪力墙破坏形式为压弯破坏，钢板出现屈服，混凝土被压溃。

近年来，钢管束混凝土剪力墙具有优异的抗震性能，已成为当前的研究热点。国内外学者[8-10]对钢管束混凝土剪力墙的受压性能、抗震性能等进行了相关研究。研究结果表明：钢管束组合剪力墙具有优越的抗震性能、延性及水平承载能力。试件发生破坏时，一字形、T形钢管束组合剪力墙下部钢板均出现屈服和混凝土压溃现象。

本文以参数有限元分析结果为依据，重点研究不同钢材参数对L形钢管束高强混凝土组合剪力墙抗震性能的影响。

2、试件SJ-1及有限元模型

2.1 SJ-1设计

为验证有限元模型的准确性，本节对文献[11]所完成的试件SJ-1进行了数值模拟验证。试件SJ-1高度为1500.0mm，腹板长度350.0mm，翼缘长度250.0mm，试件厚度100.0mm，钢管束及连接钢板厚度均为4.0mm。钢材强度等级为Q235B，混凝土强度等级为C30。材性试验测得钢材实际屈服强度fy为355.0MPa，混凝土实际抗压强度为27.7MPa。试件几何尺寸如图1所示。

图1 SJ-1试件的几何尺寸图

2.2有限元模型的建立

L形钢管混凝土组合柱钢管束部分采用理想的双折线模型模拟钢材力学性能，并考虑钢材的随动强化。混凝土本构模型采用韩林海教授[12-13]提出的混凝土约束本构模型。钢结构部分的各零件之间采用tie约束模拟焊缝。钢管束与混凝土之间的切向接触采用库伦摩擦模型的罚函数，滑动类型为有限滑动，根据文献[14]建议摩擦系数选为0.25，法向则采用硬接触模拟。混凝土、底部端板和顶部端板采用C3D8R实体单元，钢管束部分则采用壳单元S4R。网格划分影响着模拟结果的精度及计算所需时间。若网格划分过大，模拟速度快，但会导致模拟精度下降。若将网格划分过密，模拟精度会提高，但计算时间过长。为使有限元模拟既高效又准确，需要为模型选择合适的网格尺寸。本文首先进行了有限元网格尺寸的敏感性分析，最终确定混凝土选用40mm×40mm网格，钢管束底部至1/3高度处选用20mm×20mm网格，中上钢管束部分则采用20mm×40mm网格，如图2所示。

试验所施加的荷载为竖向荷载和水平荷载，竖向荷载通过试件截面形心，水平荷载通过试件剪心，以防止加载过程中试件SJ-1扭转。依照《建筑抗震试验方法规程》（JGJ 101-96)[15]中的加载方法，具体边界条件如图3所示。

图2 SJ-1网格划分图

图3 试件SJ-1的边界条件

3、试验验证

图4为有限元模拟结果破坏云图与试验中典型试件破坏图的对比，可以发现两图中试件底部加劲肋上方钢板均出现明显的屈曲现象，同高度钢管处首先屈服随后破坏。而试件的中部及以上并未出现明显破坏，钢板和钢管均处于弹性阶段。图5为滞回曲线对比图，模拟与试验所得峰值承载力的误差在10%以内。由此可见此种建模方式对L形钢管混凝土组合柱试件的破坏模态及抗震性能模拟准确。

图4 试件SJ-1的变形模式对比图

图5 试件SJ-1轴向荷载-应变曲线对比图

4、数值模拟及结果分析

4.1有限元模型建立

为进一步考查各参数对ICSW-L滞回性能的影响，首先设计了L形钢管束高强混凝土组合剪力墙足尺试件，BASE试件墙高3000mm，腹板肢长1280mm，翼缘部分肢长560mm。钢板和钢管束的钢材规格选取为Q345B，其中端部钢管束厚度取12mm，钢板厚度取8mm，混凝土强度为C60，轴压比取0.5。在BASE试件基础上改变钢材相关参数，建立3组7个有限元模型，具体参数如表1所示。

建模方法及加载方式均与上小节保持一致。图6为8个模型的滞回曲线图，可以看出钢材对ICSW-L影响显著。具体结果如表2所示。由于ABAQUS软件不考虑钢材开裂的情况，因此模拟出的滞回曲线中未出现下降段，以《钢管混凝土束结构技术标准》（TCECS 546-2018）中“应限制剪力墙位移角θ在1/70rad内的建议”为依据，取位移角θ为1/70rad时的水平位移作为试件的峰值位移。

4.2钢材强度的影响

钢材强度越高，L形钢管束高强混凝土组合剪力墙的正负峰值荷载越大，且正负向峰值荷载的大小也存在差别。通过表2可知，BASE、GCQD1和GC-QD2三种试件的正向峰值荷载分别比负向峰值荷载多出32.3%、33.8%和30.8%，可见随着钢材强度的提升，剪力墙的正负峰值荷载的差异变化不大。和BASE试件相比GCQD1和GCQD2的正向峰值荷载分别提升-27.0%和9.0%，负向峰值荷载分别提升-27.7%和11.3%。钢材强度对L形钢管束高强混凝土组合剪力墙承载能力影响明显，正负向峰值承载力随着钢材强度的提升大幅提高。

图6 试件滞回曲线

4.3钢板厚度的影响

钢板厚度为6mm、8mm、10mm和12mm四种条件下的剪力墙试件的正向峰值承载能力与其负向峰值承载能力对比，分别多出了35.0%、32.0%、24.0%以及18.5%。随着钢板厚度的提升，L形钢管束高强混凝土组合剪力墙的承载力略微都有提高。与BASE试件相比，GBHD1、GBHD2和GBHD3的正向峰值承载能力分别提升-8.2、7.8%和17.1%。负向峰值承载能力分别提升-10.0%、15.1%和30.9%。因此可以得出，在不同钢板厚度条件下，L形钢管束高强混凝土组合剪力墙的正负向承载能力随着钢板厚度的提升而提高，且提升幅度明显。

表1 墙体参数化分析数据表

表2 有限元模拟结果

4.4钢管束厚度的影响

钢管束厚度为12mm、16mm和20mm三种条件下的剪力墙试件的正向峰值承载能力与其负向峰值承载能力对比，分别多出了26.6%、29.8%以及30.4%。由此可知，钢管束厚度增加，正向峰值承载力与负向峰值承载力的差异变大。随着钢管束厚度的提升，L形钢管束高强混凝土组合剪力墙的承载力都所有提高。与BASE试件相比，GGSHD1和GGSHD2试件的正向峰值承载力分别提升了15.5%和30.0%。负向峰值承载力分别提升了12.6%和26.2%。因此可以得出，在不同钢管束厚度条件下，L形钢管束高强混凝土组合剪力墙的正负向峰值承载力随着钢管束厚度的提升而提高，且提升幅度明显。

5、结论

本文通过对比不同钢材参数下ICSW-L的滞回性能及承载力，得到如下结论：

不同参数条件下，ICSW-L的滞回曲线均很饱满，都具有良好的滞回性能；

随着钢材强度的提升，该钢材强度对该类剪力墙正负向峰值承载力随着钢材强度的提升大幅提高；

该剪力墙的正负向承载能力随着钢板厚度及钢管束厚度的提升而提高，且提升幅度明显。

参考文献:

[3]曹万林,于传鹏,董宏英,等.不同构造双钢板组合剪力墙抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2013,34(S1):186-191.

[4]马晓伟,聂建国,陶慕轩,等.双钢板-混凝土组合剪力墙压弯承载力数值模型及简化计算公式[J].建筑结构学报,2013,34(04):99-106.

[6]武晓东,童乐为.带方钢管混凝土端柱隔板连接双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2019,40(12):41-50.

[8]张晓萌.钢管束组合剪力墙抗震性能试验及理论研究[D].天津大学,2016.

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[11]熊清清,张旺,陈志华.L形钢管混凝土组合柱抗震性能分析及水平承载力设计方法[J].科学技术与工程,2020,20(23):9521-9531.