(1.山東科技大學山東省土木工程防災減災重點實驗室， 山東青島266590;2.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院， 江蘇徐州221116)

0 引言

近年來，我國大力發(fā)展綠色裝配式建筑產(chǎn)業(yè)，剪力墻作為建筑結(jié)構(gòu)中常用的抗側(cè)力構(gòu)件，擁有著較高的承載力和剛度，因此，對新型形式的剪力墻壓彎受力性能進行研究具有重要的實用價值和指導意義。

隨著越來越多的組合剪力墻形式被提出，學者們不斷研究其力學性能和可行性。1973年，Takahashi等[1]通過有限元分析和對14片單層鋼板剪力墻進行擬靜力試驗研究，驗證了加勁鋼板剪力墻具有良好的延性和抗震性能。1980年，王敏之[2]提到鋼板剪力墻在Hyatt Regency Hotel 和Olive View Hospital兩個實際工程中的應用，提出采用這種剪力墻形式有更好的經(jīng)濟性。1990年后，日本為了將鋼板混凝土剪力墻開始用于工程安全領(lǐng)域，降低人工成本，進行了大量的研究和試驗[3-4]。2002年， Emori[5]對鋼箱混凝土墻的軸壓和受剪性能進行了試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)，此種形式的剪力墻具有良好的軸壓承載力和抗剪承載力。雙層鋼板混凝土剪力墻的承載能力遠高于素混凝土剪力墻和純鋼板剪力墻之和，并且提出了理論計算公式和進行有限元模擬，得出了鋼板寬厚比的最佳取值比例。2013年，李健等[6]對鹽城廣播電視塔雙層鋼板組合剪力墻結(jié)構(gòu)進行了擬靜力試驗研究，分析了參數(shù)的變化對剪力墻抗震性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)剪力墻的高寬比對其承載能力影響最為顯著，剪力墻破壞時側(cè)板邊緣達到屈服，墻腳部混凝土被壓碎，墻腳部的鋼板出現(xiàn)鼓曲現(xiàn)象。2013年，李盛勇等[7]對11個縮尺的鋼板混凝土剪力墻進行了擬靜力試驗，研究了其承載能力和變形能力，并提出了保守的承載能力計算方法。本文在前人的研究基礎(chǔ)之上，提出了一種多腔鋼板混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)體系，將兩個完全一樣的試件采用單調(diào)加載試驗方式研究并和ABAQUS有限元模擬軟件結(jié)果對比，驗證ABAQUS有限元模擬軟件模型的有效性，以此來分析不同參數(shù)對多腔鋼板混凝土組合剪力墻壓彎性能的影響，并得出相關(guān)結(jié)論。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

本文提出的多腔鋼板混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)體系由方鋼管、U型鋼板和直鋼板焊接而成，剪力墻端部為方鋼管，然后與U型鋼板焊接，中間為直鋼板，墻體內(nèi)部通過澆筑混凝土構(gòu)成結(jié)構(gòu)關(guān)系。

兩個多腔鋼板混凝土組合剪力墻試件完全一樣，墻高、寬、厚分別取1 600 mm、800 mm、80 mm。本試驗多腔鋼板混凝土剪力墻、鋼筋混凝土組合加載梁、地基梁均采用C40混凝土和Q345鋼材。多腔鋼板混凝土剪力墻截面圖如圖1所示，所有鋼材均采用焊接連接，以保證連接的可靠性, 焊縫高度依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[8]確定。

圖1 剪力墻截面圖Fig.1 Section diagram of shear wall

制作標準試件進行試驗，取平均值作為材料性能結(jié)果，實測鋼材屈服強度fy=417.4 MPa，抗拉強度fu=505.6 MPa，彈性模量E=2.07×105N/mm2。實測混凝土立方體抗壓強度標準值fcuk=45.1 MPa。

圖2 試驗裝置圖Fig.2 Test device diagram

1.2 加載裝置

水平伺服器加載點位于加載梁正中心距離基礎(chǔ)梁上表面1 600 mm處，保證試件剪跨比為2。同時豎向施加荷載的千斤頂能隨著試件水平位移的增加在水平滑道內(nèi)滑動，保證多腔鋼板混凝土剪力墻構(gòu)件一直承受豎向均布荷載作用[9]?；A(chǔ)梁與地面之間通過六根地錨與剛性地面緊固連接。試驗加載裝置詳見圖2。

1.3 測點布置與試驗加載

在多腔鋼板混凝土剪力墻的加載梁和基礎(chǔ)梁截面形心處各安裝一個電子位移計，用以測量剪力墻墻體的頂點側(cè)移和基礎(chǔ)梁的滑移。

CSW01、CSW02軸壓比分別為0.4和0.6。豎向荷載通過分配梁傳遞荷載至加載梁，水平荷載通過加載梁傳遞給剪力墻，試驗加載裝置如圖3所示。加載過程中豎向荷載保持不變，水平荷載單調(diào)加載，采用力和位移混合控制加載制度。直到試件破壞無法繼續(xù)加載或水平負載降至峰值負載的85 %時，停止加載[10]。

2 試驗結(jié)果

多腔鋼板混凝土剪力墻試件單調(diào)加載推覆過程可分為三個階段：彈性階段、塑性階段和破壞階段。彈性階段：鋼板與混凝土發(fā)生粘結(jié)破壞，鋼板無鼓曲發(fā)生；塑性階段：鋼板發(fā)生鼓曲，在達到峰值荷載時，墻體受拉端基礎(chǔ)梁混凝土出現(xiàn)裂紋；破壞階段：受壓側(cè)鋼管、鋼板鼓曲嚴重，底部混凝土被壓碎，受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)多條裂紋。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集終端繪制的兩個多腔鋼板混凝土剪力墻試驗試件頂點水平荷載—位移曲線見圖3。

(a) CSW01

(b) CSW02

圖3 荷載—位移曲線
Fig.3 Load-displacement curve

3 有限元模型建立與分析

3.1 有限元模型建立

利用ABAQUS有限元軟件建立多腔鋼板混凝土剪力墻的數(shù)值模型，鋼材本構(gòu)采用簡化的理想彈塑性模型[11]，屈服強度fy和彈性模量Es取材性試驗結(jié)果，根據(jù)實際鋼材材料力學試驗簡化得到該鋼材本構(gòu)曲線如圖4所示，其具體表達式如下；

(1)

混凝土本構(gòu)采用混凝土塑性損傷模型[12]，C40混凝土，混凝土密度2 400 kg/m3，泊松比取0.2。應力—應變關(guān)系如圖5所示。

圖4 鋼材的應力—應變關(guān)系曲線
Fig.4 Stress-stain curve of steel

圖5 混凝土應力—應變曲線
Fig.5 Stress-strain curve of concrete

表1 混凝土材料模型計算參數(shù)Tab.1 Calculating parameter of concrete material model

本文混凝土材料塑性損傷模型的參數(shù)如表1。注：ψ為膨脹角；ε為流動勢偏移值；αf為雙軸極限抗壓強度與單軸極限抗拉強度之比；Kc為拉伸子午面與壓縮子午面上第二應力不變量之比；μ表示黏性系數(shù)。

本文對多腔鋼板混凝土剪力墻中混凝土、方鋼管、鋼板均采用八節(jié)點線性縮減積分單元(C3D8R單元)，便于分析鋼板受壓引起的鼓曲現(xiàn)象。多腔鋼板混凝土剪力墻中U型鋼板和直鋼板、U型鋼板和方鋼管的連接均采用焊接連接，故采用TIE約束[13]來分析實際構(gòu)建中焊接傳力情況。方鋼管、U型鋼板和直鋼板在之前裝配(Assembly)中已采取merge操作來表示焊接關(guān)系?；炷梁弯摪濉⒒炷梁头戒摴芙佑|面之間的相互作用由兩部分構(gòu)成：一種是接觸面間的法向作用，另一種是接觸面之間的切向作用。法向作用采取“硬約束”模擬，切向作用采用庫倫摩擦系數(shù)為0.6的 “罰”接觸模擬實際構(gòu)建中混凝土與鋼材的面接觸行為。剪力墻底部采取完全固結(jié)約束即令Ux=Uy=Uz=0，θx=θy=θz=0來約束沿著x、y、z的平動和轉(zhuǎn)動，來模擬實際工程中剪力墻底部與基礎(chǔ)的連接。為確定合理的網(wǎng)格尺寸，先采用較大的網(wǎng)格模擬求解，然后逐漸減小網(wǎng)格尺寸進行模擬求解，當相鄰兩次模擬求解結(jié)果相差在誤差范圍以內(nèi)時，即可用模擬結(jié)果來表示準確結(jié)果。有限元模型見圖6(a)、(b)。

(a) 正視圖 (b) 斜視圖

3.2 試驗與模型對比

3.2.1 破壞形態(tài)

圖7為ABAQUS有限元分析計算得出的多腔鋼板混凝土組合剪力墻的等效塑性應變(PEEQ)云圖。圖8為多腔鋼板混凝土組合剪力墻試驗最終的破壞圖。

圖7 PEEQ云圖Fig.7 PEEQ

圖8 實際鋼板屈曲圖
Fig.8 Actual plate buckling

由圖7，圖8可以看出，多腔鋼板混凝土組合剪力墻的主要破壞位置位于受壓區(qū)底部角部，ABAQUS有限元模擬結(jié)果與實際試驗所得現(xiàn)象基本一致，證明了有限元模型是正確性。

3.2.2 變形

對多腔鋼板混凝土剪力墻進行單調(diào)加載，可以得到試件在豎向荷載和水平荷載共同作用下，墻體的變形主要是水平荷載方向上位于墻體平面內(nèi)的頂點水平位移，有限元水平位移云圖與實際墻體變形圖對比見圖9。觀察可知，試驗和有限元模擬結(jié)果中多腔鋼板混凝土剪力墻均沒有明顯的平面外位移，這也證明在ABAQUS有限元建模過程中所選用的邊界條件等參數(shù)設(shè)置的準確性。

3.2.3 荷載—位移曲線

荷載—位移曲線是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在單調(diào)水平荷載作用下，結(jié)構(gòu)的頂點位移與水平荷載的變化關(guān)系曲線，能宏觀反應結(jié)構(gòu)的承載能力、變形能力等性能指標。試驗所得P-Δ曲線可以用采集儀采集得到，ABAQUS有限元模擬的P-Δ曲線可以在軟件建模分析后，從計算結(jié)果直接導出。

由圖10可以看出，ABAQUS有限元模擬分析所得結(jié)果與試驗所得結(jié)果相差無幾，變化規(guī)律一致。兩者的對比結(jié)果證明：可以采用ABAQUS模擬的方法來研究多腔鋼板混凝土剪力墻在不同參數(shù)影響下的壓彎性能。

(a) CSW01試驗與有限元模擬P-Δ曲線對比圖

(b) CSW02試驗與有限元模擬P-Δ曲線對比圖

圖10 試驗與有限元模擬分析結(jié)果對比
Fig.10 Comparison of test and simulation analysis

3.2.4 承載能力對比分析

多腔鋼板混凝土剪力墻試件由試驗所得承載力和ABAQUS有限元模擬分析所得結(jié)果對比分析如表2。分析表2數(shù)據(jù)可知，試驗值與有限元模擬分析結(jié)果之比的平均值為0.966，在誤差允許范圍之內(nèi)，有限元模擬分析結(jié)果可以用于工程實際應用。

表2 承載力模擬值與實驗值對比Tab.2 Comparison of test and simulation analysis

3.3 誤差分析

①材料應力—應變關(guān)系的選擇是有限元分析的基礎(chǔ)，由于各種條件的限制，本文未對鋼材、混凝土等材料的本構(gòu)關(guān)系作詳細的研究，僅對鋼板進行了材料力學力學拉伸試驗對混凝土進行了標準立方體試塊抗壓強度試驗，確定繪制的本構(gòu)關(guān)系曲線具有不準確性。

②多腔鋼板混凝土剪力墻的鋼板、方鋼管與混凝土之間的接觸采用綁定約束，但在試驗試件工作過程中，鋼板、方鋼管和混凝土之間可能存在部分粘結(jié)滑移[14]，導致計算結(jié)果與試驗結(jié)果存在差異。

③在有限元建模過程中，我們采用了理想的情況，但在試驗實際模型中，制作加工缺陷，試驗儀器系統(tǒng)存在誤差，所以有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果有差異是正常現(xiàn)象，不可避免。

4 影響多腔鋼板混凝土剪力墻壓彎性能參數(shù)分析

從結(jié)構(gòu)受力來看，多腔鋼板混凝土組合剪力墻同矩形鋼管混凝土柱相似，而墻中U型鋼板的存在，起到了隔板的作用，很好的約束了其周圍的混凝土[15]，提高了構(gòu)件的承載力等性能指標。為了得到多腔鋼板混凝土剪力墻的最佳性能，考慮軸壓比、混凝土強度、鋼板厚度、鋼材強度和剪跨比五個參數(shù)對構(gòu)件壓彎性能的影響，采用控制變量法進行有限元參數(shù)分析。

4.1 軸壓比

軸壓比是影響多腔鋼板混凝土剪力墻承載能力及變形性能的主要指標之一。本文對剪跨比為2，墻高1 600 mm，寬度800 mm，厚度80 mm的多腔鋼板混凝土剪力墻進行了軸壓比為0.1、0.3、0.4、0.6下的單調(diào)位移加載有限元分析，得到不同軸壓比下的荷載—位移曲線。

由圖11不同軸壓比下的荷載—位移曲線可知：在其余參數(shù)不變的情況下，隨著軸壓比的提高，多腔鋼板混凝土剪力墻的屈服承載力和極限承載力均有所增強，但同時其變形能力會有所降低。因此為保證多腔鋼板混凝土剪力墻試件的變形能力，實際工程應用中軸壓比不超過規(guī)范《建筑抗震規(guī)范》GB50011—2010[16]建議的0.6的限值。

4.2 混凝土強度

混凝土強度是影響多腔鋼板混凝土剪力墻的因素之一。為了研究混凝土強度等級對其承載能力、變形性能等受力性能的影響，采用剪跨比λ為2，墻體高度1 600 mm、墻體寬度800 mm、墻體厚度為80 mm的多腔鋼板混凝土剪力墻，對其在混凝凝土強度等級C30、C40、C50、C60下的受力性能進行單調(diào)位移加載有限元模擬分析，得到其荷載—位移曲線如圖12所示。

圖11 不同軸壓比下的荷載—位移曲線
Fig.11P-Δwith different axial compression ratio

圖12 不同混凝土強度等級下的荷載—位移曲線
Fig.12P-Δwith different concrete strength grade

從圖12可以看出，在其余參數(shù)相同的情況下，多腔鋼板混凝土剪力墻的承載能力隨著混凝土強度等級的提高而增大，但是其變形能力受混凝土強度等級影響較小，隨著混凝土強度等級的提升略微下降。

4.3 鋼板厚度

在多腔鋼板混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)中，鋼板厚度是影響其主要性能的指標之一。為了研究多腔鋼板混凝土剪力墻中鋼板厚度對其受力性能的影響，采用ABAQUS有限元軟件建立剪跨比λ為2、墻高1 600 mm、寬800 mm、厚度80 mm的鋼板厚度分別為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm的有限元模型，進行單調(diào)位移加載分析，得出其在不同鋼板厚度下的荷載—位移曲線。

由圖13觀察得出，在其余參數(shù)相同的情況下，隨著鋼板厚度的增加，多腔鋼板混凝土剪力墻的承載能力、變形能力均有大幅度提升。

4.4 鋼材強度

鋼材強度與鋼板厚度一樣，都是影響多腔鋼板混凝土剪力墻受力性能的主要因素之一。為了研究鋼材強度對多腔鋼板混凝土剪力墻的影響，采用鋼板厚度為3 mm，剪跨比為2，墻體高1 600 mm、寬800 mm、厚80 mm的多腔鋼板混凝土剪力墻模型，僅僅改變鋼材強度，對模型進行ABAQUS有限元分析，繪制不同鋼材強度下的荷載—位移曲線。

觀察圖14可知：在其余參數(shù)相同的情況下，隨著鋼材屈服強度的提升，多腔鋼板混凝土剪力墻的承載能力、變形能力均有所提高，但是提高幅度不如增加鋼板厚度效果顯著。

圖13 不同鋼板厚度下的荷載—位移曲線
Fig.13P-Δwith different steel plate thickness

圖14 不同鋼板強度下的荷載—位移曲線
Fig.14P-Δwith different steel plate strength

圖15 不同剪跨比下的荷載—位移曲線Fig.15 P-Δ with different shear span ratio

4.5 剪跨比

剪跨比是影響多腔鋼板混凝土剪力墻承載能力的主要因素之一。為了研究剪跨比對多腔鋼板混凝土剪力墻受力性能的影響,建立剪跨比為1.2、2、3、3.5的多腔鋼板混凝土剪力墻進行單調(diào)位移加載ABAQUS有限元分析，繪制不同剪跨比下多腔鋼板混凝土剪力墻的荷載—位移曲線。

從圖15可以看出：在其余參數(shù)相同的情況下，多腔鋼板混凝土剪力墻的承載能力隨著剪跨比的增加明顯減小，但變形能力有所上升。

5 結(jié)論

多腔鋼板混凝土組合剪力墻作為新型結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件，具有較高的承載能力及變形能力。通過前期試驗驗證了有限元模型的有效性，利用ABAQUS進行不同參數(shù)下的試件壓彎性能分析，最終根據(jù)試驗和有限元結(jié)果分析，得出如下結(jié)論：

①隨著軸壓比的提高，多腔鋼板混凝土組合剪力墻的承載能力有所提升，但是其變形能力有所下降，因此在實際工程應用中，建議采用軸壓比限值為0.6。

②隨著混凝土強度等級的提高，多腔鋼板混凝土組合剪力墻的承載能力有所提升，但變形能力有輕微下降。

③鋼板厚度是影響多腔鋼板混凝土組合剪力墻承載能力、變形能力等力學性能的主要因素。隨著鋼板厚度的增加，多腔鋼板混凝土組合剪力墻的承載能力、變形能力大幅提升。

④鋼材強度也是影響多腔鋼板混凝土組合剪力墻承載能力等受力性能的主要影響因素。隨著鋼材屈服強度等級的提升，多腔鋼板混凝土組合剪力墻的極限承載能力獲得大幅提升，變形能力也大大增強。

⑤隨著剪跨比的增加，多腔鋼板混凝土組合剪力墻的極限承載能力大幅下降，但是變形能力有所提升。