于立彬 張延慶

剪力墻作為高層結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件,它的抗震性能對高層建筑有重要的影響。近來鋼和混凝土組合剪力墻在高層建筑尤其是復(fù)雜高層建筑中的應(yīng)用和研究越來越多。如何提高和改善組合剪力墻的抗震性能已成為工程界十分關(guān)注和亟待解決的問題。鋼管混凝土邊框組合剪力墻是一種新型組合剪力墻,即在鋼管混凝土邊框間澆筑鋼筋混凝土剪力墻,鋼管混凝土邊框和鋼筋混凝土剪力墻之間采用抗剪連接鍵可靠連接。這種組合剪力墻結(jié)構(gòu)具有軸向承載力高、延性好及混凝土墻體側(cè)向剛度大、抗震性能好的優(yōu)點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中,軸壓比是影響剪力墻抗震性能的主要因素。因此,合理地確定軸壓比是解決結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的前提。

1 軸壓比對鋼管混凝土邊框組合剪力墻延性的影響

1)預(yù)壓應(yīng)變的影響。鋼管混凝土邊框組合剪力墻在受到軸向荷載N后,將產(chǎn)生一個壓應(yīng)變,在水平荷載作用下,受壓一側(cè)的壓應(yīng)變將繼續(xù)增大,軸壓比影響鋼管混凝土邊框組合剪力墻的延性,實(shí)質(zhì)就是軸向荷載所產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)變對截面延性的影響,軸壓力越大,預(yù)壓應(yīng)變越大,使得截面的轉(zhuǎn)角變小,從而降低鋼管混凝土邊框組合剪力墻的延性。2)附加彎矩的影響。鋼管混凝土邊框組合剪力墻受到水平荷載作用時,軸向力將產(chǎn)生附加彎矩,而降低延性。當(dāng)軸力為定值時,隨著試件水平位移的不斷增大,附加彎矩的影響越來越大,若截面抵抗彎矩一定,則水平承載力將會不斷降低,而且隨著位移的增大,由于受壓混凝土的破壞程度不斷加大和鋼材的屈服,截面承受彎矩的能力也會不斷降低,這些將導(dǎo)致水平承載力不斷下降。

2 有限元模型的建立

本文利用大型有限元軟件ANSYS對鋼管混凝土邊框組合剪力墻受力性能進(jìn)行了有限元模擬。對于鋼管壁與混凝土之間的粘結(jié)模擬,少數(shù)研究者在鋼單元與混凝土之間加入了滑移單元或間隙單元,結(jié)果表明考慮界面之間的滑移性能對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的整體受力性能影響不大,因此本文在分析過程中,假定鋼管壁和混凝土之間完全粘結(jié)。

2.1 模型的幾何尺寸

為了研究軸壓比對鋼管混凝土邊框組合剪力墻的受力性能影響,設(shè)計了QY系列試件,詳見表1,模型橫截面尺寸見圖1。

表1 試件尺寸明細(xì)表

2.2 單元的選取

在ANSYS中采用Solid65單元來模擬混凝土的材料性質(zhì),該單元為三維鋼筋混凝土實(shí)體。鋼管壁采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元Solid45,抗剪鍵采用Beam188單元。

2.3 材料模型的確定

混凝土等級為C50,彈性模量為3.45×104N/mm2,泊松比為0.2;對于鋼材,假定鋼材為初始各向同性材料,選用Q235,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用雙線性隨動強(qiáng)化模型來描述。

2.4 加載制度

鋼管混凝土邊框組合剪力墻墻底固定,墻頂不加約束,求解時首先在結(jié)構(gòu)頂部施加軸壓荷載,為了使施加水平荷載時結(jié)構(gòu)不至于在加載點(diǎn)因為受力太大而產(chǎn)生局部點(diǎn)受壓破壞,故將荷載分散加在不同的節(jié)點(diǎn)上,然后在豎向荷載恒定的情況下施加水平荷載。

3 QY系列試件有限元計算結(jié)果及分析

n0=N/Nu。其中,n0為鋼管混凝土邊框組合剪力墻的設(shè)計軸壓比;N為軸力;Nu為軸壓設(shè)計承載力。

3.1 荷載—位移曲線分析

有限元計算QY系列試件荷載—位移曲線如圖2～圖6所示。

軸壓比對試件荷載—位移曲線的形狀影響較大。軸壓比較大時,結(jié)構(gòu)的位移比較小,軸壓比較小時,則位移相對比較大。

隨著軸壓比的增加,構(gòu)件的承載力出現(xiàn)減小的現(xiàn)象。此外,同類試件在線性階段的斜率相差不大,說明試件在彈性階段的剛度變化不大。

3.2 延性性能分析

從圖2～圖6的水平荷載—位移曲線可以看出:1)各鋼管混凝土邊框組合剪力墻的位移比較大,說明鋼管混凝土邊框組合剪力墻的延性性能比較好。2)隨著軸壓比的增加,結(jié)構(gòu)的延性越來越差,軸壓比小時,延性比較大;相反,軸壓比比較大時,延性比較小。

3.3 承載力結(jié)果分析

表2列出了各軸壓比下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)初始屈服時結(jié)構(gòu)的水平荷載和結(jié)構(gòu)破壞時的極限荷載。

表2 不同軸壓比下結(jié)構(gòu)荷載表 N

由表2中數(shù)據(jù)對比可見,軸壓比對鋼管混凝土邊框組合剪力墻的屈服荷載有明顯的影響,隨著軸壓比的不斷增大,屈服荷載逐漸變小。軸壓比對鋼管混凝土邊框組合剪力墻的極限荷載影響不明顯,在軸壓比為0.5時,極限荷載達(dá)到最大值。

3.4 破壞形態(tài)分析

在0.3和0.4的軸壓比下,結(jié)構(gòu)的水平承載力隨著軸壓比的增大而增大,因為此時對結(jié)構(gòu)的破壞起控制作用的是受拉區(qū)的鋼筋屈服,隨著受拉區(qū)鋼筋的屈服,受壓區(qū)的鋼管壁也達(dá)到屈服應(yīng)力,受壓區(qū)的混凝土被壓碎。

在0.5,0.6,0.7的軸壓比下,隨著豎向荷載的增大,此時控制結(jié)構(gòu)破壞的是受壓一側(cè)的混凝土,隨著水平荷載的增加,受壓一側(cè)的鋼管壁的下部出現(xiàn)初始屈服,但此時結(jié)構(gòu)并未喪失承載能力,仍有一定的安全儲備,直到最后剪力墻右側(cè)底部的混凝土被壓碎,鋼管壁發(fā)生屈曲破壞,此時結(jié)構(gòu)喪失承載能力,結(jié)構(gòu)的最大水平承載力隨著軸壓比的增大而減小。

4 結(jié)語

1)軸壓比對鋼管混凝土邊框組合剪力墻的延性性能有明顯的影響,隨著軸壓比的增大,延性逐漸降低。軸壓比主要通過預(yù)壓應(yīng)變和附加彎矩影響柱的延性。

2)軸壓比對鋼管混凝土邊框組合剪力墻的屈服荷載有明顯的影響,隨著軸壓比的增大,屈服荷載逐漸減小,而對極限荷載影響不明顯。在右側(cè)鋼管的底部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,因此對鋼管的底部應(yīng)加大剛度。

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