蔡宏昊, 劉宜豐, 劉曉光, 胡立黎

(1 中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，成都 610042；2 杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司，杭州 310003)

0 引言

鋼管混凝土束剪力墻是由鋼管束與內(nèi)填混凝土組合而成的剪力墻。鋼管束是由若干個U型鋼與矩形鋼管、鋼板拼裝組成的具有多個豎向空腔的結(jié)構(gòu)單元,常見形式有一字形、L字形、T字形、Z字形等(圖1、2),鋼板厚一般為4～6mm。鋼管混凝土束剪力墻之間通過鋼梁相連,鋼管混凝土束剪力墻與鋼梁的連接節(jié)點平面內(nèi)為剛性連接,平面外為鉸接,剛接節(jié)點典型形式有端板式和側(cè)板式(圖3)。

圖1 鋼管混凝土束剪力墻截面形式

圖2 鋼管混凝土束剪力墻實際工程

圖3 鋼管混凝土束剪力墻與鋼梁連接節(jié)點形式

鋼管混凝土束剪力墻結(jié)構(gòu)是由鋼管混凝土束剪力墻與鋼梁組成的承受豎向和水平作用的一種新型組合結(jié)構(gòu),因其可充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,抗震性能良好,構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度高,易于工業(yè)化生產(chǎn),近年在國內(nèi)得到了較多應(yīng)用[1-2]。作為一種新型的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系,許多學(xué)者[3-6]對鋼管混凝土束墻體的力學(xué)性能和抗震性能進行了研究。張曉萌[7]對鋼管混凝土束墻體鋼板厚度、軸壓比、栓釘配置等方面進行了試驗研究,結(jié)果表明試件端部U型鋼鋼板加厚可以使得試件破壞階段延后、提高延性;陳志華[8]等分析了短肢鋼管混凝土束剪力墻的力學(xué)性能,結(jié)果表明短肢鋼管混凝土束剪力墻破壞模式為彎曲破壞,鋼板厚度對試件承載力提升最大,上述研究成果均表明鋼管混凝土束剪力墻抗震性能優(yōu)越,承載能力、延性和耗能能力良好。鋼管混凝土束剪力墻的相關(guān)研究成果已體現(xiàn)在協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土束結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(T/CECS 546—2018)[9](簡稱《鋼管束標(biāo)準(zhǔn)》)中,因在9度抗震設(shè)防區(qū)應(yīng)用鋼管混凝土束剪力墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗不足,該標(biāo)準(zhǔn)尚未納入9度抗震設(shè)防區(qū),僅適用于8度及以下地區(qū)。在目前國家推進裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的大背景下,9度抗震設(shè)防區(qū)也有應(yīng)用需求。本文以某高層住宅項目設(shè)計案例為背景,對鋼管混凝土束剪力墻結(jié)構(gòu)在9度抗震設(shè)防區(qū)的結(jié)構(gòu)性能進行研究,結(jié)果表明通過適當(dāng)加厚邊框和樓電梯井外圈等重要部位墻體鋼板厚度,該體系在9度抗震設(shè)防區(qū)整體能達到C級性能目標(biāo)要求,可適用于9度抗震設(shè)防區(qū)。

1 結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)對同一高度(54m)的鋼管混凝土束剪力墻結(jié)構(gòu)在8度抗震設(shè)防區(qū)的分析結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件采用常規(guī)的鋼板厚度(4～6mm)就可使結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)滿足規(guī)范要求,且在罕遇地震作用下剪力墻損傷較小,而9度抗震設(shè)防區(qū)鋼管混凝土束剪力墻構(gòu)件的損傷較大,因此,本文主要采用結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計方法對鋼管混凝土束剪力墻結(jié)構(gòu)在9度抗震設(shè)防區(qū)的結(jié)構(gòu)性能進行研究。

1.1 結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)

結(jié)合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[10](簡稱《高規(guī)》)和《鋼管束標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求,以及鋼管混凝土束剪力墻試驗[3-5]分析結(jié)果,結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)確定如下:1)多遇地震作用下,結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)滿足規(guī)范要求,構(gòu)件均處于彈性狀態(tài);2)設(shè)防地震作用下,鋼管混凝土束剪力墻滿足正截面不屈服、抗剪彈性的要求;3)罕遇地震作用下:鋼管混凝土束剪力墻滿足抗剪不屈服的要求;剪力墻混凝土部分允許出現(xiàn)壓縮損傷,但壓縮損傷系數(shù)超過0.9的面積不大于墻體混凝土截面面積的1/2;剪力墻鋼板允許部分進入塑性,但屈服面積不應(yīng)大于墻體鋼板截面面積的1/2,最大塑性應(yīng)變不超過2.5%;鋼梁可以部分進入塑性,但是最大塑性應(yīng)變不超過2.5%;彈塑性最大層間位移角不超過1/70。

1.2 分析方法

多遇地震作用下采用振型分解反應(yīng)譜法和時程分析法對結(jié)構(gòu)進行彈性分析以及彈性時程分析;設(shè)防地震作用下采用振型分解反應(yīng)譜法(等效彈性方法)對構(gòu)件進行復(fù)核驗算;罕遇地震作用下分別采用振型分解反應(yīng)譜法和時程分析法對結(jié)構(gòu)進行等效彈性分析和動力彈塑性分析。

2 案例概況

某高層住宅建筑18層,位于四川省成都市,建筑面積4814m2,標(biāo)準(zhǔn)層長27.6m,寬11.5m,層高3m,主體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)高度54m。結(jié)構(gòu)安全等級為二級,抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類,場地類別為Ⅱ類,抗震設(shè)防烈度為9度(0.4g),設(shè)計地震分組為第三組。基本風(fēng)壓為0.3kN/m2(50年一遇),地面粗糙度為B類。

結(jié)構(gòu)主體采用鋼管混凝土束剪力墻結(jié)構(gòu),標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置如圖4所示,鋼梁與鋼管混凝土束剪力墻面內(nèi)方向采用剛接,面外方向采用鉸接,并在結(jié)構(gòu)平面、樓電梯井的角部以及局部墻體轉(zhuǎn)角處設(shè)置鋼管混凝土柱與鋼梁剛接,如圖5所示。主要構(gòu)件截面如下:1～18層鋼管混凝土束剪力墻墻肢截面厚150mm,鋼板厚度為6mm,其中1～6層邊框墻及樓電梯井外圈墻為加強截面,鋼板厚度加厚為8mm,鋼管束端部腔體鋼板加厚為16mm,墻體內(nèi)混凝土強度等級1～6層C60、7～12層C50,13～18層C40;邊框梁截面為HN400×150×8×13,內(nèi)框梁截面為HN300×150×6.5×9。

圖5 轉(zhuǎn)角處剛接梁形式

3 計算結(jié)果

3.1 多遇地震計算結(jié)果

3.1.1 結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)

分別采用結(jié)構(gòu)分析軟件SATWE和MIDAS Gen對結(jié)構(gòu)進行多遇地震作用下的彈性分析,同時考慮雙向地震作用、豎向地震作用、扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)和施工模擬加載的影響。兩個軟件的計算結(jié)果對比如表1所示,可以看出兩者在結(jié)構(gòu)質(zhì)量、周期、樓層剪力和最大層間位移角等方面的計算結(jié)果接近,且均在合理范圍內(nèi)。

表1 兩個軟件計算結(jié)果

多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角和層剪力分別如圖6、7所示。X向和Y向的最大層間位移角分別為1/431和1/456,滿足《鋼管束標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的1/350的限值要求。

圖6 多遇地震作用下層間位移角

圖7 多遇地震作用下層剪力

3.1.2 彈性時程分析

按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[11](簡稱《抗規(guī)》)5.1節(jié)的相關(guān)要求,選用五條天然波和兩條人工波進行多遇地震彈性時程分析,分析時峰值加速度取140gal,主方向、次方向與豎向的峰值加速度比值為1.00∶0.85∶0.65。彈性時程分析結(jié)果如表2所示,七條波基底剪力的計算結(jié)果與CQC法計算結(jié)果的比值大于65%且小于135%,X向和Y向的基底剪力平均值分別為CQC法的1.01和1.02倍。七條波計算得到的最大層間位移角均小于1/350,且平均值小于CQC法的結(jié)果。

表2 彈性時程分析計算結(jié)果

3.2 設(shè)防地震構(gòu)件復(fù)核

設(shè)防地震下按正截面不屈服復(fù)核性能目標(biāo)時,混凝土及鋼材的強度均取標(biāo)準(zhǔn)值;按抗剪彈性復(fù)核性能目標(biāo)時,混凝土及鋼材的強度均取設(shè)計值。設(shè)防地震設(shè)計中風(fēng)荷載不參與計算。分別對結(jié)構(gòu)中受力較大的鋼管混凝土束剪力墻進行承載力驗算,選取的剪力墻編號如圖8所示。圖中KQ1、KQ4為外框位置的鋼管混凝土束剪力墻,KQ2、KQ3為樓電梯井外圈位置的剪力墻。

圖8 受力較大的典型墻體

3.2.1 正截面不屈服設(shè)計

在設(shè)防地震作用下,豎向構(gòu)件的正截面承載力應(yīng)按照《高規(guī)》式(3.11.3-2)的相關(guān)規(guī)定進行復(fù)核驗算。

構(gòu)件在設(shè)防地震作用下的最不利內(nèi)力與P-M承載力包絡(luò)曲線的比較結(jié)果如圖9～12所示?？梢钥闯?墻體最不利工況內(nèi)力均在對應(yīng)的P-M承載力包絡(luò)曲線以內(nèi),KQ1～KQ4均可以實現(xiàn)正截面不屈服的性能目標(biāo),且有一定富余。

圖9 KQ1正截面承載力驗算

圖10 KQ2正截面承載力驗算

圖11 KQ3正截面承載力驗算

圖12 KQ4正截面承載力驗算

3.2.2 抗剪彈性設(shè)計

設(shè)防地震作用下,豎向構(gòu)件的受剪承載力應(yīng)按《高規(guī)》式(3.11.3-1)的相關(guān)規(guī)定進行復(fù)核驗算。

KQ1～KQ4的抗剪承載力彈性驗算結(jié)果如表3所示,可以看出設(shè)防地震作用下鋼管混凝土束剪力墻滿足性能目標(biāo)C級對應(yīng)的抗剪彈性要求,剪力值均不超過承載力的60%,有較大的富余度。

表3 鋼管混凝土束剪力墻截面抗剪彈性驗算

3.3 罕遇地震下結(jié)構(gòu)性能

罕遇地震作用下,采用振型分解反應(yīng)譜法(等效彈性法)驗算構(gòu)件的抗剪性能,結(jié)果如表4所示,可以看出罕遇地震下鋼管混凝土束剪力墻滿足抗剪不屈服的構(gòu)件性能目標(biāo)。鋼管混凝土束剪力墻構(gòu)件性能水準(zhǔn)及宏觀性能水平,主要以彈塑性動力時程分析結(jié)果復(fù)核。

表4 鋼管混凝土束剪力墻截面抗剪不屈服驗算

3.3.1 構(gòu)件模型

采用SAUSAGE 2020軟件對所建立的三維非線性分析模型進行彈塑性時程分析時,鋼材采用雙線性隨動硬化本構(gòu)模型,強化段彈性模量取彈性段的1%;混凝土采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[12]附錄C中的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型,可以反映混凝土滯回、剛度退化和強度退化等特性。

根據(jù)《鋼管束標(biāo)準(zhǔn)》第5.3節(jié)的相關(guān)要求,鋼管混凝土束剪力墻可采用纖維模型和分層殼模型兩種簡化模擬單元,也可采用實體單元進行模擬?？紤]到若采用實體單元進行模擬計算量過大,以及采用纖維模型對鋼板混凝土組合剪力墻進行模擬的計算軟件和相關(guān)研究成果較少,同時相關(guān)研究[13-14]表明分層殼模型可以較為準(zhǔn)確地分析鋼板組合剪力墻的力學(xué)性能,故本文中采用彈塑性分層殼單元對鋼管混凝土束剪力墻進行模擬,不考慮橫隔板、鋼管束中鋼板對內(nèi)部混凝土的約束作用以及鋼管對內(nèi)部混凝土的條狀劃分的影響;結(jié)構(gòu)模型中梁、柱等桿件采用纖維束模擬。

3.3.2 鋼管束剪力墻分層殼單元與試驗對比

為驗證彈塑性分析的準(zhǔn)確性,選擇鋼管混凝土束剪力墻擬靜力試驗[6]為驗證依據(jù),試驗的構(gòu)件尺寸、材料特性及加載方式等詳見文獻[7],采用ABAQUS有限元軟件建立考慮幾何非線性和材料非線性的二維有限元計算模型,對鋼管混凝土束剪力墻在低周往復(fù)荷載作用下的受力性能進行了分析,有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖13所示。模型中墻體采用分層殼單元模擬,共三層,中間層為混凝土,兩側(cè)為鋼材,各層的厚度與形心位置和構(gòu)件截面構(gòu)造完全一致。

圖13 有限元模型及網(wǎng)格劃分

圖14、15為鋼管混凝土束剪力墻試驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果的骨架曲線對比,表5為試驗與有限元分析的峰值荷載結(jié)果比較,可以看出:采用分層殼單元模擬得到的骨架曲線與試驗骨架曲線在彈性階段基本一致,正負(fù)向峰值承載力誤差均在10%以內(nèi),整體吻合良好。由于有限元模擬中未考慮橫隔板、混凝土約束等對鋼管混凝土束剪力墻的有利影響,使得試件模擬的峰值荷載略小于試驗結(jié)果。本文罕遇地震作用下的動力彈塑性分析中采用分層殼單元模擬鋼管混凝土束剪力墻。

表5 試驗與有限元分析的峰值荷載比較結(jié)果

圖14 試件1有限元與試驗結(jié)果對比

圖15 試件2有限元與試驗結(jié)果對比

3.3.3 地震波選取

按照《抗規(guī)》的選波要求,選擇符合條件的兩條天然波和一條人工波,人工波為RH2TG045、天然波為TH063TG045和TH089TG045,地震波峰值加速度取620gal,輸入時均考慮三向地震輸入,天然波TH089TG045主方向的加速度時程記錄見圖16。

圖16 天然波TH089TG045時程曲線

3.3.4 分析結(jié)果

罕遇地震彈塑性分析的底部剪力與多遇地震彈性時程分析結(jié)果對比如表6所示,地震剪力比平均值X向為4.17,Y向為3.89,均小于罕遇地震峰值加速度與多遇地震峰值加速度之比4.43,說明結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下有部分構(gòu)件進入塑性,耗散了地震能量,且Y向進入塑性程度更大。

表6 罕遇地震彈塑性與多遇地震時程分析的底部剪力對比

結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角見圖17和圖18,X向主激勵時的最大層間位移角為1/113,Y向主激勵時的最大層間位移角為1/109,均小于罕遇地震性能目標(biāo)所規(guī)定的層間位移角限值1/70。同時不同地震波作用下,最大層間位移角出現(xiàn)的樓層不同,說明沒有明顯的薄弱樓層。

圖17 罕遇地震下X向?qū)娱g位移角

圖18 罕遇地震下Y向?qū)娱g位移角

將三條地震波下的鋼管混凝土束剪力墻受壓損傷云圖進行對比,發(fā)現(xiàn)天然波TH089TG045的地震響應(yīng)(構(gòu)件損傷)最大,因此選取天然波TH089TG045考察結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

圖19 邊框梁損傷發(fā)展

圖20 內(nèi)框梁損傷發(fā)展

X向TH089TG045波作用下,鋼管混凝土束剪力墻中間混凝土受壓損傷如圖22(a)所示,大部分墻體損傷因子小于0.6,屬于中度損壞,主要損傷集中在底部加強區(qū)和局部短肢墻體,但是單片墻、傷因子超過0.9的面積不大于墻體截面面積的1/2,滿足罕遇地震下墻體構(gòu)件的性能目標(biāo)。

圖22 鋼管混凝土束剪力墻云圖

Y向TH089TG045波作用下,鋼管混凝土束剪力墻兩側(cè)鋼板塑性應(yīng)變?nèi)鐖D22(b)所示,絕大部分墻體鋼板并未進入屈服,僅有底部加強區(qū)局部墻體鋼板進入塑性,最大塑性應(yīng)變?yōu)?.00137,遠(yuǎn)小于鋼材的極限應(yīng)變0.025。

Y向TH089TG045波作用下,鋼梁最終時刻的塑性應(yīng)變?nèi)鐖D23所示,鋼梁的最大塑性應(yīng)變?yōu)?.00595,遠(yuǎn)小于鋼材的極限應(yīng)變0.025。

圖23 鋼梁最終時刻塑性應(yīng)變圖

4 結(jié)論

本文通過抗震性能化設(shè)計方法對9度抗震設(shè)防區(qū)下高層鋼管混凝土束剪力墻結(jié)構(gòu)的性能進行了研究,可得出以下結(jié)論:

(1)鋼管混凝土束剪力墻結(jié)構(gòu)住宅,通過適當(dāng)加厚邊墻、樓電梯等重要部位墻體鋼板厚度,其抗震性能可滿足性能目標(biāo)要求,該結(jié)構(gòu)體系可應(yīng)用于9度抗震設(shè)防區(qū)。

(2)采用分層殼元模擬鋼管混凝土束剪力墻在罕遇地震作用下的彈塑性性能,經(jīng)有限元與試驗結(jié)果對比,骨架曲線整體吻合良好。

(3)按抗震性能化設(shè)計方法對本案例鋼管混凝土束剪力墻結(jié)構(gòu)的分析表明:鋼管混凝土束剪力墻構(gòu)件可以達到設(shè)防地震作用下抗剪彈性、抗彎不屈服,罕遇地震作用下抗剪不屈服的性能目標(biāo)。構(gòu)件承載力達到《高規(guī)》C級的性能目標(biāo)要求,且抗剪承載力有較大的富余度,符合強剪弱彎的抗震設(shè)計要求。

(4)罕遇地震動力彈塑性時程分析結(jié)果表明,鋼梁先于鋼管混凝土束剪力墻發(fā)生屈服,能夠起到預(yù)期的耗能作用;鋼管混凝土束剪力墻結(jié)構(gòu)達到預(yù)定性能目標(biāo)時,鋼管混凝土束剪力墻結(jié)構(gòu)中鋼板基本處于彈性階段,混凝土受壓損傷主要集中在底部加強區(qū)和局部短墻肢墻位置,最大層間位移角1/109,能達到規(guī)范要求的“大震不倒”要求。

(5)由于鋼管混凝土束剪力墻在罕遇地震作用下?lián)p傷較大,針對9度抗震設(shè)防區(qū)的鋼管混凝土束剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計建議采用性能化設(shè)計方法。