郝林峰,萬馨,劉一

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

剪力墻作為建筑中的關(guān)鍵抗震構(gòu)件,自鋼板混凝土組合剪力墻提出以來,國內(nèi)學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究.聶建國[1,2]團(tuán)隊、李云等[3]、李奉閣等[4]對多種鋼板組合剪力墻進(jìn)行試驗分析,發(fā)現(xiàn)此種剪力墻承載力高,抗震性能好,具有較好的應(yīng)用前景.

將雙鋼板混凝土組合剪力墻與鋼梁組合,通過外肋板與外伸梁段加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接,形成一種新型的墻梁結(jié)構(gòu).前期研究結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)承載力及抗震性能較好,具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值[5].但結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)外肋板易發(fā)生開裂,影響結(jié)構(gòu)性能.而針對節(jié)點(diǎn)板件的研究較少,沒有相關(guān)的設(shè)計參考.本文運(yùn)用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元模擬,分析不同鋼材屈服強(qiáng)度和鋼連梁變形特征下,外肋板寬厚比對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響.探究外肋板最佳尺寸,以提供相關(guān)設(shè)計建議,指導(dǎo)工程實(shí)踐.

1 有限元模型確立

圖1為外肋板式聯(lián)肢鋼板組合剪力墻—鋼梁結(jié)構(gòu)形式.外伸梁段與剪力墻焊接,外肋板通過焊接連接剪力墻與外伸梁段翼緣以加強(qiáng)節(jié)點(diǎn).外伸梁段與鋼連梁的連接中,翼緣為焊接,腹板為螺栓連接.剪力墻呈矩形,由外包鋼板與內(nèi)筑混凝土構(gòu)成,外包鋼板間焊接加勁肋以提高鋼板與混凝土的協(xié)同工作性能.

圖1 外肋板式聯(lián)肢鋼板組合剪力墻—鋼梁結(jié)構(gòu)形式

1.1 模型參數(shù)

本文研究對象為3層的外肋板式聯(lián)肢鋼板組合剪力墻—鋼梁結(jié)構(gòu).層高3 m,頂部預(yù)留0.2 m設(shè)置加載梁,總高度9.2 m.剪力墻寬0.8 m,厚0.2 m.

鋼材本構(gòu)關(guān)系采用Von Mises屈服準(zhǔn)則和硬化彈塑性模型.彈性模量E=2.06×105MPa,強(qiáng)化段的模量取彈性模量的1%[6],泊松比為0.3.螺栓采用10.9級M27高強(qiáng)度螺栓,螺栓鋼材本構(gòu)取自文獻(xiàn)[5],彈性模量E=2.11×105MPa.混凝土為C40混凝土,本構(gòu)關(guān)系采用塑性損傷模型,彈性模量E=3.25×104MPa,泊松比取0.2[7].

高強(qiáng)螺栓采用B31單元,鋼構(gòu)件及混凝土采用C3D8R單元.模型墻底部固定,墻頂施加側(cè)向約束.構(gòu)件焊接采用綁定約束模擬,鋼連梁腹板與連接板之間、混凝土與鋼板之間定義接觸,摩擦系數(shù)取0.35.對墻頂施加軸向荷載,同時設(shè)置加載梁保證加力均勻.加載模型如圖2所示.

圖2 加載模型

圖3為模型的加載制度,采用位移控制分級加載,其中Δy為屈服位移.將墻頂加載梁以加載點(diǎn)為控制點(diǎn)設(shè)置剛體,加載位移施加于加載點(diǎn)上.屈服前位移荷載分3級,每級遞增0.25Δy反復(fù)一次.結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服以后,每級遞增0.5Δy反復(fù)2次,試件的荷載下降到峰值荷載的85%時停止加載[8].

圖3 加載制度

1.2 有限元模型驗證

為驗證上述模擬方法與實(shí)際試驗是否相符,對文獻(xiàn)[9]中的試件進(jìn)行模擬驗證,建模方法及各參數(shù)均與上述相同.試件為型鋼混凝土組合剪力墻-鋼連梁結(jié)構(gòu).試件共5層,由型鋼框架、鋼板、混凝土組成.試件經(jīng)過1/4縮尺,層高0.8 m,剪力墻寬0.8 m,厚0.12 m.鋼框架為90 mm×60 mm×6 mm×10 mm的H型鋼焊接而成,內(nèi)含6 mm鋼板.鋼梁一、二層為150 mm×130 mm×6 mm×10mm,三、四、五層為160 mm×100 mm×6 mm×10mm.剪力墻頂部設(shè)置加載梁,底部設(shè)置基座梁.

試件在加載過程中,混凝土裂縫首先出現(xiàn)在底層.之后裂縫由下至上,由外向內(nèi)逐漸發(fā)展.當(dāng)加載位移到40 mm時,一、二、三層的鋼連梁出現(xiàn)剪切變形.加載后期,墻底角部的混凝土大面積壓潰脫落,混凝土脫落部位的鋼筋和型鋼柱露出.其中暗柱的外側(cè)縱筋被拉斷,中部縱筋被壓彎.圖4為鋼框架、鋼筋和第二層鋼連梁的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的對比,模擬結(jié)果與試驗結(jié)果符合程度較好.

圖4 試驗和模擬破壞現(xiàn)象對比

圖5為試件滯回曲線和骨架曲線的對比.兩者滯回曲線形狀大致相同,有限元滯回曲線比試驗滯回曲線更加飽滿.骨架曲線中,加載中期的2曲線有些許偏差,峰值點(diǎn)位移有限元延后10.2 mm,屈服荷載有限元比試驗大9.8%左右.由于有限元軟件不能模擬出混凝土的開裂對結(jié)果的影響,以及試驗試件的材料本身、試件制作及加載過程的各項缺陷等的影響,使模擬結(jié)果與試驗結(jié)果出現(xiàn)差異.但兩者結(jié)果差異較小,數(shù)據(jù)差異在10%以內(nèi).

圖5 滯回曲線與骨架曲線對比

1.3 有限元模型拓展設(shè)計

表1為模型設(shè)計參數(shù),模型編號中,S代表剪切型,BS代表彎剪型,B代表彎曲型;r+數(shù)字代表外肋板寬厚比數(shù)值.為排除耦連比的影響,模型耦連比均設(shè)計為0.45.鋼連梁變形特征在限制相同的Mp/Vp(Mp為鋼梁的塑性受彎承載力,Vp為鋼梁的塑性受剪承載力),通過不同的鋼連梁跨度來改變[10].其中剪切型表示鋼連梁以剪切變形為主;彎剪型表示鋼連梁變形介于剪切變形和彎曲變形之間;彎曲型表示鋼連梁以彎曲變形為主.鋼連梁截面尺寸在滿足上述條件的情況下選取.

表1 模型設(shè)計參數(shù)

1.4 外肋板測點(diǎn)選取

圖6為文獻(xiàn)[5]試驗試件的外肋板破壞圖.在外肋板上選取合適測點(diǎn),測量加載過程中測點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力變化,確定外肋板是否能在各構(gòu)件破壞前穩(wěn)定傳力而不發(fā)生破壞.測點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在外肋板易發(fā)生破壞的位置,即外肋板的薄弱部位.圖中外肋板的外側(cè)(與外伸梁段腹板不處于同一平面的一側(cè)為外側(cè))在外伸梁段與剪力墻連接界面處發(fā)生斷裂.

圖6 外肋板破壞圖

圖7為模型節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力云圖,圖中外肋板在外伸梁段與剪力墻連接界面處的外側(cè)應(yīng)力較高.由此可以判斷,外伸梁段與剪力墻連接界面的外側(cè)為外肋板的薄弱部位,測點(diǎn)將選取模型第二層連接外伸梁段上翼緣與加載側(cè)剪力墻外肋板的薄弱部位.

圖7 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

2 有限元結(jié)果分析

2.1 不同鋼材屈服強(qiáng)度下外肋板寬厚比對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

1)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

圖8為3組不同鋼材屈服強(qiáng)度模型的骨架曲線,表2為各模型的位移延性系數(shù)和能量耗散系數(shù),其中各參數(shù)按照規(guī)程[11]進(jìn)行計算.結(jié)果表明,增大外肋板寬厚比可略微提高結(jié)構(gòu)的承載力.外肋板寬厚比由4提高到12,結(jié)構(gòu)延性和耗能略有提高.同時過高的寬厚比會使外肋板變薄,外肋板剛度減弱,降低節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定承載能力.因此,外肋板寬厚比為16和20的模型延性和耗能出現(xiàn)下降.

表2 各模型的位移延性系數(shù)和能量耗散系數(shù)

圖8 骨架曲線

2)外肋板受力分析

圖9為3組模型外肋板的受力變化曲線.圖中Δy為結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服時對應(yīng)的屈服位移,Δmax為結(jié)構(gòu)達(dá)到極限承載力時對應(yīng)的位移.分析3組數(shù)據(jù)可得到初步結(jié)論:在相同的結(jié)構(gòu)及加載條件下,選取不同的外肋板寬厚比使外肋板上的應(yīng)力產(chǎn)生較大差異.3組數(shù)據(jù)中,外肋板寬厚比為12的模型,其外肋板上的應(yīng)力最小.在結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服時,外肋板上的應(yīng)力未達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度;所施加荷載達(dá)到結(jié)構(gòu)極限承載力時,外肋板上的應(yīng)力未達(dá)到鋼材的抗拉強(qiáng)度.這保證了外肋板傳力的可靠性,避免節(jié)點(diǎn)先于各構(gòu)件發(fā)生破壞.

圖9 外肋板受力變化曲線(a)Q235-S系列;(b)Q345-S系列;(c)Q390-S系列

通過對3組數(shù)據(jù)逐一分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)采用Q235鋼材時,外肋板寬厚比為4,8,16,20的模型,外肋板上的應(yīng)力在結(jié)構(gòu)屈服前達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度;采用Q345鋼材時,外肋板寬厚比為4,16,20的模型,外肋板上的應(yīng)力在結(jié)構(gòu)屈服前達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度;采用Q390鋼材時,外肋板寬厚比為16,20的模型,外肋板上的應(yīng)力在結(jié)構(gòu)屈服前達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度.因此,外肋板寬厚比不宜選取過高,其次在選材時應(yīng)優(yōu)先選用高強(qiáng)度鋼材.

2.2 不同鋼連梁破壞特征下外肋板寬厚比對結(jié)構(gòu)抗震性能影響

1)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

圖10為3組不同鋼連梁破壞特征模型的骨架曲線,表3為各模型的位移延性系數(shù)和能量耗散系數(shù).通過分析各組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),提高外肋板寬厚比對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響與前三組分析的規(guī)律基本一致.外肋板寬厚比的增大,可略微提高結(jié)構(gòu)的承載力;延性和耗能隨著外肋板寬厚比的增大,呈先提高后下降的趨勢.

表3 各模型的位移延性系數(shù)和能量耗散系數(shù)

圖10 骨架曲線

2)外肋板受力分析

圖11為3組模型外肋板的受力變化曲線.通過分析發(fā)現(xiàn)鋼連梁變形特征對外肋板寬厚比的取值影響較小,3組模型的曲線分布都符合Q345鋼外肋板寬厚比取值的結(jié)論.

圖11 外肋板受力變化曲線(a)Q345-S系列;(b)Q345-BS系列;(c)Q345-B系列

3組模型的曲線的差異主要體現(xiàn)在正向加載中結(jié)構(gòu)屈服后的階段.彎剪型和彎曲型2組模型的外肋板在結(jié)構(gòu)達(dá)到極限承載力后,測點(diǎn)上的應(yīng)力出現(xiàn)下降.這是由于相同耦連比下,彎剪型和彎曲型結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)需傳遞比剪切型更大的彎矩,外肋板測點(diǎn)區(qū)的鋼材在加載中發(fā)生較大變形,承載力降低.因此,彎剪型和彎曲型的結(jié)構(gòu)需要更大尺寸的外肋板以抵御變形.

綜上分析發(fā)現(xiàn),合理設(shè)置外肋板尺寸能夠在保證結(jié)構(gòu)性能的情況下,減小外肋板薄弱區(qū)域的應(yīng)力.這將大大降低外肋板開裂的風(fēng)險,保證節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定傳力.實(shí)際工程中,可參考本文結(jié)論確定外肋板尺寸.

3 結(jié)論

1)綜合分析五組模型數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),當(dāng)外肋板寬厚比為12時,外肋板上應(yīng)力最小.因此外肋板式聯(lián)肢鋼板組合剪力墻—鋼梁結(jié)構(gòu)的外肋板寬厚比取值以12最佳.

2)選取高屈服強(qiáng)度的鋼材可放寬外肋板寬厚比的取值范圍:當(dāng)外肋板采用Q235鋼時,外肋板寬厚比應(yīng)控制在12左右;當(dāng)外肋板采用Q345鋼時,外肋板寬厚比可選取在8～12范圍內(nèi);當(dāng)外肋板采用Q390鋼時,外肋板寬厚比可選取在4～12范圍內(nèi).

3)鋼連梁的變形特征對外肋板寬厚比的取值影響較小,仍以12為最佳取值,但彎剪型和彎曲型的結(jié)構(gòu)需要較剪切型更大的外肋板尺寸,以保證節(jié)點(diǎn)的可靠性.