袁朝慶， 王忠全， 章 桀， 劉 燕

(1.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318； 2.東北石油大學(xué) 統(tǒng)戰(zhàn)部， 黑龍江 大慶 163318)

0 引 言

雙鋼板-混凝土組合剪力墻以其優(yōu)異的抗震性能，使得越來越多的國內(nèi)學(xué)者對其展開實驗研究。如聶建國等[1-2]、曹萬林等[3]、夏登榮等[4]證明雙鋼板混凝土組合剪力墻具有優(yōu)異的耗能能力。而筒體結(jié)構(gòu)同樣以其優(yōu)異的抗震性能被廣泛應(yīng)用[5-6]，考慮在建筑物中央?yún)^(qū)域利用電梯間、樓梯間或者洗手間圍成的筒體結(jié)構(gòu)作為建筑物主要的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，筆者將雙鋼板-混凝土組合剪力墻圍成筒體結(jié)構(gòu)，形成雙鋼板-混凝土組合剪力墻筒體，分析軸壓比對雙鋼板-混凝土組合剪力墻筒體抗震性能的影響。

1 有限元模型驗證

本文依據(jù)文獻[7-8]建立有限元驗證模型，利用ABAQUS有限元軟件建立與實驗?zāi)Ｐ虳CSW1尺寸完全相同的模型DCSW1-1，鋼板采用S4R殼單元，混凝土采用C3D8R實體單元，見圖1。鋼板與混凝土之間為黏結(jié)滑移關(guān)系，法向接觸為硬接觸，切向接觸為罰接觸，側(cè)向摩擦因數(shù)為0.25，底部摩擦因數(shù)為0.6。模型底板邊界條件為完全固定，頂部中央設(shè)置參考點RP-1，并將其與頂面耦合，將豎向集中力3 719 kN與水平位移施加在參考點上。

圖1 有限元模型與實驗試件Fig. 1 Finite element model and test piece

根據(jù)有限元驗證模型計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比(圖2)、破壞形式對比(圖3)得出：兩者破壞形式基本一致，均為構(gòu)件底部混凝土壓碎，并于每兩個隔板之間出現(xiàn)鼓曲變形。兩者骨架曲線形狀相似，初始彈性剛度有限元構(gòu)件略高，誤差為1.75%；彈塑性階段有限元構(gòu)件屈服荷載與屈服位移均高于實驗構(gòu)件，誤差分別為8.16%、2.48%；有限元構(gòu)件峰值荷載與峰值位移均低于實驗構(gòu)件，誤差分別為5.51%、4.23%。誤差產(chǎn)生的原因：驗證模型中的材料被認為是均勻的，構(gòu)件無初始缺陷，鋼板連接無缺陷，而實際實驗構(gòu)件的材料、構(gòu)件的連接存在缺陷。通過驗證模型計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比可以得出，使用ABAQUS能夠較準確的模擬雙鋼板混凝土組合剪力墻在往復(fù)荷載作用下的滯回性能。

圖2 有限元結(jié)果與實驗結(jié)果對比 Fig. 2 Comparison between finite element results and test results

圖3 破壞形式對比Fig. 3 Comparison of failure modes

2 有限元模型的建立

使用ABAQUS有限元分析軟件建立雙鋼板-混凝土組合剪力墻筒體模型ZT-0.4，鋼板采用S4R殼單元，混凝土采用C3D8R實體單元。模型ZT-0.4尺寸：高度8 000 mm，墻厚100 mm，筒體橫截面為4 000 mm×4 000 mm，外包鋼板厚度10 mm，采用隔板連接，模型示意圖見圖4，截面尺寸見圖5。模型軸壓比為0.4，邊界條件為底部完全固定，鋼板與混凝土之間接觸為切向罰接觸，摩擦因數(shù)0.25，法向硬接觸，鋼材、混凝土本構(gòu)模型均與驗證模型相同，頂部中央設(shè)置參考點RP-1，并將其與頂面耦合，將豎向集中力與水平位移施加在參考點上，水平加載方式見圖6。在模型ZT-0.4基礎(chǔ)上，僅改變軸壓比大小建立模型ZT-0.5、ZT-0.6、ZT-0.7。ZT系列模型具體參數(shù)見表1。

圖4 模型示意Fig. 4 Schematic of models

圖5 截面尺寸Fig. 5 Section size

圖6 水平加載方式Fig. 6 Horizontal loading mode

表1 模型構(gòu)件參數(shù)

Table 1 Model specimen parameters

試件軸壓比混凝土鋼板高寬比ZT-0.40.4C30Q235B2ZT-0.50.5C30Q235B2ZT-0.60.6C30Q235B2ZT-0.70.7C30Q235B2

3 有限元結(jié)果與滯回性能

3.1 滯回曲線與骨架曲線

圖7所示為ZT系列模型荷載-位移滯回曲線與荷載-位移骨架曲線。從圖中可以看出,雙鋼板-混凝土組合剪力墻筒體在軸壓比分別為0.4、0.5、0.6、0.7時，滯回曲線都很飽滿，滯回環(huán)呈梭形，說明雙鋼板-混凝土組合剪力墻筒體耗能能力較強。隨著軸壓比的增大，滯回曲線形狀越來越扁平。將各軸壓比下滯回曲線每次循環(huán)加載的峰值點依次連接形成骨架曲線，可以看出：各軸壓比下骨架曲線形狀相似，彈性階段基本重合；但軸壓比越大，骨架曲線拐點出現(xiàn)越早，說明試件進入彈塑性階段越早，同時峰值荷載越小，極限荷載越小。

圖7 滯回曲線與骨架曲線Fig. 7 Hysteresis curves and skeleton curves

3.2 承載力與變形能力

表2給出了ZT系列模型承載力F與變形Δ的具體數(shù)值。利用骨架曲線，采用割線剛度法計算屈服點，將水平荷載最大值點確定為峰值點，取峰值荷載下降85%為極限點。延性系數(shù)為極限位移與屈服位移的比值[9]。

表2 試件承載力與位移

由表2可知，隨著軸壓比的增大，試件屈服荷載、峰值荷載、極限荷載、峰值位移逐漸降低。ZT-0.7與ZT-0.6相比，峰值荷載降低了7.08%，峰值位移降低了6.65%；ZT-0.6與ZT-0.5相比，峰值荷載降低了8.74%，峰值位移降低了8.58%；ZT-0.5與ZT-0.4相比，峰值荷載降低了9.22%，峰值位移降低了7.95%，說明軸壓比越大，試件承載力越小，達到峰值荷載的變形也越小。對比延性系數(shù)可知，當軸壓比由0.4升至0.5時，延性系數(shù)增大11.70%，軸壓比為0.5時，試件延性系數(shù)最大，當軸壓比由0.5升至0.6、0.6升至0.7時，延性系數(shù)分別減小5.24%、8.29%，說明軸壓比為0.5時，試件變形能力較好，當軸壓比超過0.5時，試件變形能力逐漸變?nèi)酢?/p>

3.3 剛度退化

將荷載-位移滯回曲線每次循環(huán)加載的峰值點荷載與峰值點位移的比值順次連接，得到剛度退化曲線。圖8給出各軸壓比下的剛度退化曲線，從圖8可以看出：各軸壓比下剛度退化曲線形狀相似，左右對稱；在彈性階段，由于初始施加水平位移較小，往復(fù)作用下剛度值有波動；隨著施加的水平位移逐漸增大，各軸壓比下剛度退化曲線變得平緩；軸壓比越大，試件在超出彈性階段后的剛度退化速度越快；在試件達到極限點時，軸壓比為0.4的試件剛度最大，軸壓比為0.5、0.6、0.7的試件剛度相差不大，但均比軸壓比為0.4時剛度小。

圖8 剛度退化曲線Fig. 8 Stiffness degradation curves

3.4 耗能能力

根據(jù)所得各軸壓比下荷載-位移滯回曲線計算出各構(gòu)件每周的能量耗散，繪制出各軸壓比下能量耗散系數(shù)-周數(shù)n、累積耗能-周數(shù)n的變化曲線，用來表示各構(gòu)件的耗能能力[1]。能量耗散系數(shù)-周數(shù)n曲線見圖9，累積耗能-周數(shù)n曲線見圖10。

圖9 能量耗散系數(shù)與周數(shù)的關(guān)系 Fig. 9 Relationship between energy dissipation coefficient and cycle number

圖10 累積耗能與周數(shù)的關(guān)系 Fig. 10 Relationship between accumulated energy consumption and cycle number

由圖9可以看出，各軸壓比下雙鋼板-混凝土組合剪力墻筒體試件能量耗散系數(shù)-周數(shù)n曲線形狀相似；當周數(shù)8≤n≤18時，相同周數(shù)中試件軸壓比越大，能量耗散系數(shù)越大，說明試件在彈塑性階段且水平位移相同時，軸壓比越大試件耗能能力越強；當周數(shù)19≤n≤22時，相同周數(shù)中軸壓比為0.4的試件能量耗散系數(shù)略大于軸壓比為0.5、0.6的試件，軸壓比為0.7的試件能量耗散系數(shù)最大；當周數(shù)n=23時，軸壓比為0.5的試件能量耗散系數(shù)最小，軸壓比為0.7的試件能量耗散系數(shù)最大；當周數(shù)24≤n≤27時，相同周數(shù)中軸壓比越大的試件能量耗散系數(shù)越大，說明試件在塑性階段且水平位移相同時，軸壓比越大試件耗能能力越強；當周數(shù)n>27時，軸壓比為0.7的試件已退出工作，軸壓比為0.4、0.5、0.6的試件繼續(xù)耗能直至退出工作。

由圖10可以看出，各軸壓比下雙鋼板-混凝土組合剪力墻筒體試件累積耗能-周數(shù)n曲線形狀相似；當周數(shù)n≤21時，累積耗能曲線基本重合；當周數(shù)22≤n≤27時，相同周數(shù)中軸壓比越小的試件累積耗能越多；當周數(shù)n>27時，軸壓比為0.7的試件已退出工作，軸壓比為0.4、0.5、0.6的試件繼續(xù)耗能直至退出工作。對比各軸壓比下試件的累積耗能量，當軸壓比由0.4升至0.5時，試件累積耗能增大1.59%，當軸壓比由0.5升至0.6、0.6升至0.7時，試件累積耗能分別減小20.60%、19.29%，說明試件軸壓比為0.5時，試件累積耗能最多，與試件延性系數(shù)隨軸壓比的變化趨勢相同，說明試件延性越好，累積耗能能力越強。

4 結(jié) 論

(1)對雙鋼板-混凝土組合剪力墻筒體，軸壓比越大，試件承載力越小，達到峰值荷載的變形越小。對于本文模型，當軸壓比為0.5時，試件變形能力較好，當軸壓比超過0.5時，試件變形能力逐漸變?nèi)酢?/p>

(2)各軸壓比下試件剛度退化曲線形狀相似，但軸壓比越大，試件在超出彈性階段后的剛度退化速度越快。

(3)各軸壓比下試件的滯回曲線都很飽滿，滯回環(huán)呈梭形，說明雙鋼板-混凝土組合剪力墻筒體耗能能力較強。試件在彈塑性階段且水平位移相同時，軸壓比越大試件耗能能力越強。對于本文模型，軸壓比為0.5的試件延性最好，同時試件累積耗能最多。