張常濤，傅明亮，曾武華

（1.福建一建集團有限公司，福建三明 365001；2.福建農林大學 交通與土木工程學院，福建福州 350002；3.三明學院 建筑工程學院，福建三明 365004）

隨著剪力墻體系應用于高層住宅鋼結構中，尋找一種高性能、裝配化程度高的剪力墻結構體系很有必要。2016年，付波[1]等提出的鋼管束混凝土組合剪力墻結構受到廣泛關注。張曉萌[2]對這一結構進行研究，表明其具有良好的承載能力和延性能力。鋼管束剪力墻可根據實際需要布置成一字型、T型和L型等構造形式，充分發(fā)揮其裝配靈活、施工便捷的特點，滿足住宅建筑的發(fā)展需求。然而，在建筑向高強化演變的趨勢下，鋼管束剪力墻需要更優(yōu)越的承載能力及延性。提高鋼材強度及鋼板厚度均可以滿足這方面要求，但因其經濟效應低而缺少使用。同時，提高混凝土強度也能增強構件承載能力，但其往往伴隨著對構件延性的削弱。研究表明[3-4]，鋼纖維的摻入能有效改善混凝土的力學性能，鋼纖維體積率較高時，可顯著提高混凝土的抗剪強度、抗拉強度及其剪切韌性。因此，本文提出一種內填鋼纖維混凝土-鋼管束剪力墻結構，有望在增強構件承載能力的同時，能夠有效提高構件延性能力。

由于剪力墻尺寸大，整體完全摻入鋼纖維價格昂貴，經濟效應低，將鋼纖維混凝土應用于剪力墻構件時應按照“部分增強”的理論，即僅將鋼纖維混凝土澆筑于剪力墻中應力復雜的部位。楚留聲[5]進行了高強混凝土剪力墻在低周反復荷載作用下的試驗，研究結果表明在邊框加強與整體加強兩種模式下，剪力墻承載力的差異并不顯著，但相較于整體加強模式，邊框加強模式不僅節(jié)省鋼材，其制造成本也大幅降低。趙軍[6-7]通過試驗研究表明僅在剪力墻約束邊緣構件內摻入鋼纖維對結構的承載力及其延性均有一定提升效果?；凇安糠衷鰪姟钡乃枷?，本文僅在鋼管束邊緣豎向部分摻入鋼纖維，研究鋼纖維的體積率、混凝土強度、軸壓比等參數對鋼管束剪力墻壓彎性能的影響。

1 模型驗證

1.1 鋼纖維混凝土有限元模型的建立

鋼纖維混凝土有限元模型的建立方法主要有兩種：一是用鋼纖維混凝土本構代替普通混凝土本構，這一方法雖然可以大大降低建模的繁瑣性，但其難以準確反映隨機鋼纖維散落在混凝土中的增強效果；二是分離建立鋼纖維與混凝土，并考慮鋼纖維的隨機分布，這一方法可以較為精確地反映出隨機分布鋼纖維對混凝土的增強作用，但鋼纖維數量眾多、體積小，在Abaqus中直接建立實體模型過于繁瑣。因此，本文借助Python腳本生成隨機分布的鋼纖維，生成的隨機分布鋼纖維如圖1所示。鋼纖維以“Embeded”的約束形式內置于混凝土中。鋼纖維截面形式為圓形，長徑比為 60，彈性模量為210 GPa，抗拉強度為1 200 MPa，本構模型采用雙折線模型。

圖1 鋼纖維隨機分布于立方體的示意圖

1.2 本構模型

混凝土采用塑性損傷模型，塑性損傷模型提供相異的拉壓性能，適用于低圍壓、單調、循環(huán)等荷載工況，與文中模擬的剪力墻構件有較好的適配性，并引入規(guī)范[8]中的混凝土應力-應變關系描述混凝土受拉（壓）行為。鋼材則采用考慮了柔性損傷的雙折線模型。

1.3 網格類型與接觸模型

鋼管束、混凝土與頂梁基礎梁均選用三維實體單元C3D8R，減縮積分單元可以避免剪切閉絕問題，計算精度高。鋼纖維選用桁架單元T3D2。對模型中鋼管束與混凝土之間相對滑移進行了模擬，以“硬”接觸和摩擦系數為0.4的“罰摩擦”模擬鋼管束與混凝土間的法向行為與切向行為。鋼纖維混凝土、鋼管束與頂梁、基礎梁的接觸均選用束縛“Tie”約束。相關研究結果表明，構件在低周往復荷載或單調荷載作用下，兩者力學性能響應基本一致[9]。為更好地觀察各設置參數對構件承載力的影響，本文僅對其進行單調加載。

1.4 模型驗證

為驗證考慮鋼纖維隨機分布的有限元模型的準確性和可靠性，將有限元分析結果與張兆強等[10]完成的鋼纖維混凝土方鋼管短柱軸壓試驗結果對比。本文分析的試件尺寸為：100 mm×2.8 mm×350 mm，鋼纖維體積率為0.50%，詳細參數取值參考文獻[10]。試件與有限元荷載（F）-位移（Δ）曲線的對比結果如圖2所示。由圖2可見，有限元模擬計算結果和試驗結果總體上吻合較好。表1分別列出了試驗結果和有限元分析的峰值荷載計算結果。從表1可見，有限元計算的峰值承載力與實驗結果的誤差為1.6%，有限元模型求解精度高。

圖2 驗證的有限元模型及對比圖

表1 鋼纖維混凝土方鋼管軸壓試驗與有限元分析的結果比較

2 參數分析

2.1 參數選取

研究表明[1-2]，剪力墻的壓彎性能與軸壓比、混凝土強度、剪跨比、含鋼率等參數有關。因此，本文主要分析鋼纖維體積率、混凝土強度、軸壓比、鋼管束板厚等參數對構件壓彎性能的影響規(guī)律。本文基準模型尺寸為：130 mm×2 056 mm×1 028 mm，采用驗證的有限元模型方法建立基準模型，如圖3所示。表2列出了在基準模型基礎上變化構件參數得到的8個模型，通過有限元模型計算，得到每個模型對應的峰值承載力結果。

圖3 構件有限元模型圖（左）和鋼纖維分布圖（右）

表2 構件參數及試驗結果

2.2 鋼纖維體積率

在混凝土中摻入鋼纖維，可以改善混凝土的抗彎、抗裂性能[4]；已有研究[5]表明，鋼纖維摻入容易形成鋼纖維團聚而影響構件性能，故本文僅模擬鋼纖維摻量不超過1.0%的情況。設計了4個剪力墻試件 S0-1-C30、S25-1-C30、S50-1-C30、S100-1-C30，鋼纖維體積率分別為 0%、0.25%、0.5%、1.0%，其余參數均相同。

圖4給出不同鋼纖維體積率下的荷載（F）-位移（Δ）曲線圖。由圖4可見，構件的受壓彎峰值承載力隨鋼纖維體積率的增加而增大。通過與未摻入鋼纖維的鋼管束剪力墻構件比較，結果表明，摻入鋼纖維體積率為0.25%、0.5%、1.0%時，構件峰值承載力分別提高1.6%、2.5%、3.5%。同時，摻入鋼纖維鋼管束組合剪力墻具有良好的延性。

圖4 不同貢獻為體積率的荷載-位移曲線

2.3 軸壓比

軸壓比是剪力墻構件承載能力的主要影響因素之一[5]，本文通過兩個剪力墻構件分析軸壓比對其承載力的影響。圖5所示為不同軸壓比下的構件荷載（N）-位移（Δ）曲線圖。從該圖可見，軸壓比為0.1的構件，相較于軸壓比為0.3的構件，其峰值承載力更高，且曲線下降更為平緩，延性較好。當軸壓比為0.3時，鋼管束已經進入彈塑性階段而變形，影響了鋼纖維混凝土與鋼管束之間的相互作用，進而使構件承載力降低。

圖5 不同軸壓比的荷載-位移曲線

2.4 混凝土強度

圖6給出了混凝土強度分別為30、40 MPa的鋼纖維混凝土-鋼管束剪力墻的荷載（F）-位移（Δ）曲線圖。在分析這部分影響時，均考慮了混凝土的損傷。由圖6可見，混凝土強度對構件承載力、初始剛度及延性均有一定影響，構件初始剛度及承載力均隨混凝土強度的提升而增大，同時延性隨之減小。

圖6 不同混凝土強度的荷載-位移曲線

2.5 鋼管束板厚

圖7為不同鋼管束板厚的荷載（F）-位移（Δ）曲線圖，鋼管束板厚對剪力墻構件的彈性剛度有明顯的影響；在達到峰值荷載時，板厚對其承載能力的影響也較為顯著。板厚從3.5變?yōu)?.0 mm，峰值承載力提高11.2%。保持板厚3.5mm不變，在鋼管束邊緣豎向部分摻入1.0%鋼纖維時，構件承載力提高3.8%。因此，通過摻入一定量的鋼纖維，可以有效提高鋼管束剪力墻構件的承載能力及延性，達到與增加鋼管束板厚相同的效果。

圖7 不同板厚的荷載-位移曲線

3 結論

本文通過對內填鋼纖維混凝土-鋼管束剪力墻的壓彎構件進行有限元模擬分析，得到以下結論：

（1）鋼纖維體積率和混凝土強度的提高均能增大構件的極限承載能力。然而，混凝土強度的提高會降低構件延性，鋼纖維的摻入在提高構件承載能力的同時不降低其延性。

（2）隨著構件軸壓比的增大，鋼纖維-鋼管束剪力墻的壓彎承載力減小。

（3）鋼管束板厚的增大，內部混凝土所受約束效應有所增強，構件承載能力隨之提高。通過摻入一定量的鋼纖維，可以達到與增加鋼管束板厚相同的效果。