蔡宏昊, 劉宜豐, 劉曉光, 胡立黎

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

0 引言

隨著裝配式鋼結構住宅建筑的迅速發(fā)展,適宜于住宅的鋼管混凝土束剪力墻結構體系得到了廣泛應用[1-3]。鋼管混凝土束剪力墻是一種新型雙鋼板-混凝土組合剪力墻[4],由多個U型鋼并排連接在一起形成鋼管束,并在內部澆筑混凝土形成的墻體,是結構體系里面的主要承重構件和抗側力構件。根據(jù)設計需要,可將U型鋼組合成一字形、L字形、T字形、Z字形等[5]。U型鋼鋼板常用厚度為4～6mm,鋼管混凝土束剪力墻常用厚度為130～150mm,墻體中鋼材重量約占整片墻體重量的20%。鋼管束構件通常按照9m一段進行制作,加工順序為根據(jù)圖紙要求將整塊鋼板下料成多個條形板,采用專用的彎折設備,將條形板彎折成U形,然后采用智能化自動焊機逐個將U型鋼焊接在一起,形成鋼管束構件。與傳統(tǒng)混凝土剪力墻相比,鋼管混凝土束剪力墻具有墻體薄、承載力高、延性好和施工便捷的優(yōu)點,同時剪力墻由標準化的構件加工而成,易于工業(yè)化生產(chǎn)。相關學者對鋼管混凝土束剪力墻構件的抗震性能進行了研究[6-10]。其中張曉萌[11]對一字形和T形鋼管混凝土束剪力墻進行了試驗研究,結果表明構件具有良好的抗震性能,同時降低軸壓比、減小U型鋼截面尺寸和端部鋼管壁厚增加均會提高構件延性;李文葛等[12]分析了短肢鋼管混凝土束剪力墻的力學性能,結果表明鋼板厚度、剪跨比對構件承載力影響較大,剪力墻延性受混凝土強度、鋼材強度、軸壓比的影響;劉克忠[13]對兩側鋼板加強的鋼管混凝土束剪力墻進行了有限元分析,結果表明端部鋼管加強可以使墻體屈曲位置內移,提高極限承載能力和變形能力。目前,國內外學者對鋼管混凝土束剪力墻構件的性能研究已經(jīng)較為成熟,但對剪力墻整體結構的性能研究較少,現(xiàn)有的協(xié)會標準《鋼管混凝土束結構技術標準》(T/CECS 546—2018)[14](簡稱《鋼管束標準》)中該體系的適用范圍尚未納入9度抗震設防區(qū),本文以文獻[5]所述的18層54m高的工程案例住宅為基礎算例,考慮鋼板厚度、墻體厚度、混凝土強度等級、鋼管束端部腔體鋼板厚度以及結構高度等影響因素,采用動力彈塑性分析方法,研究各因素下鋼管混凝土束剪力墻結構在9度抗震設防區(qū)罕遇地震作用下的性能,并提出設計建議。

1 評價指標

為了評價各影響因素下鋼管混凝土束剪力墻結構的性能,主要從結構變形、結構內力、構件損傷及材料用量四個方面,分別選取罕遇地震下的最大層間位移角,底層總剪力、軸壓比、最大彎矩和剪力,混凝土損傷和用鋼量等指標進行評價。

根據(jù)文獻[5]所述工程案例的計算結果,鋼管混凝土束剪力墻損傷主要集中在下部區(qū)域,選擇整體結構下部六層的墻體作為參數(shù)變化的對象;結構構件內力評價指標選擇結構中受力較大的底層邊墻KQ1和底層電梯井外圈墻KQ2進行比較分析;構件性能水平選擇底部加強區(qū)部位及相鄰的上一層共三層的邊墻KQ1進行比較分析;經(jīng)文獻[5]性能研究表明,罕遇地震下剪力墻中鋼板基本處于彈性階段,構件性能水平由混凝土損傷控制,構件損傷采用混凝土損傷因子進行比較分析。選取的鋼管混凝土束剪力墻如圖1所示。基礎算例的主要構件尺寸見文獻[5]。

圖1 受力較大的典型墻體

2 計算分析

2.1 構件模型選取

本文針對鋼管混凝土束剪力墻結構的一般特點,在非線性有限元分析中,基于如下假定:1)只考慮鋼管混凝土束剪力墻平面內彈塑性性能;2)不考慮鋼管混凝土束剪力墻內部隔板及內部隔板對混凝土的約束作用以及對剪力墻單元劃分的影響;3)鋼材采用雙線性隨動硬化本構模型,強化段彈性模量取彈性段1%;混凝土采用《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010—2010)[15]附錄C中的應力-應變本構模型;4)結構模型中梁、柱等桿件采用纖維束模型;鋼管混凝土束剪力墻、樓板采用分層殼單元模型;鋼梁采用集中塑性鉸模型。

2.2 地震波選取

按照《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)(簡稱《抗規(guī)》)[16]第5.1節(jié)相關要求選用地震波,分析時峰值加速度取620gal,主方向、次方向與豎向的峰值加速度比值為1.00∶0.85∶0.65?；谖墨I[5]的性能分析結果,僅選用地震響應較大的TH089TG045地震波下的結果作為比較依據(jù),TH089TG045主方向的加速度時程記錄見文獻[5]的圖16。

3 影響因素分析

3.1 鋼板厚度對結構性能的影響

鋼板作為鋼管混凝土束剪力墻構件的重要組成部件,鋼板厚度增大可以直接提高鋼板承擔的水平剪力和豎向荷載,對墻體的整體承載力及剛度提升均有較大作用[6-11]。增大鋼板厚度和提高鋼材強度可以提高鋼管混凝土束剪力墻承載力和延性,但由于高強鋼在鋼結構住宅中應用較少,因此僅研究鋼板厚度變化對結構性能的影響。

在其他因素都不變的情況下,只改變鋼管混凝土束剪力墻中的U型鋼鋼板的厚度,對鋼管混凝土束剪力墻結構進行分析,結果見表1,鋼板厚度對混凝土損傷的影響情況見圖2,可得出以下結論:

表1 鋼板厚度對結構性能的影響對比

圖2 鋼板厚度對混凝土損傷的影響

(1)鋼板厚度增大,最大層間位移角沒有明顯變化,罕遇地震下最大層間位移角滿足標準限值1/70。

(2)鋼板厚度增加,鋼管混凝土束剪力墻軸壓比減小,罕遇地震下鋼材沒有進入塑性,剪力墻剛度增大,底層總剪力增大,結構構件內力也明顯增大。

(3)鋼板厚度增加,鋼管混凝土束剪力墻的含鋼率上升,鋼板對混凝土的約束作用增強,使得混凝土損傷明顯減小,構件性能水平提升;當鋼板厚度為4mm時,混凝土損傷較大,而當鋼板厚度增大至6mm時,混凝土損傷得到明顯改善,當鋼板厚度大于6mm時,鋼板厚度對混凝土損傷的改善效果降低。

(4)鋼板厚度增大,用鋼量明顯增加。

3.2 鋼管混凝土束剪力墻厚度和混凝土強度等級對結構性能的影響

混凝土作為鋼管混凝土束剪力墻構件中豎向荷載承載部件,混凝土厚度變化和混凝土強度等級對墻體的整體承載力提升有較大作用。因住宅中不宜采用過厚的墻體,其他因素不變的情況下,選擇厚度為130、150、180、200mm和混凝土強度等級為C40～C60的鋼管混凝土束剪力墻進行對比分析,結果見表2和表3,對混凝土損傷的影響情況見圖3和圖4,可以得出以下結論:

表2 剪力墻厚度對結構性能的影響對比

表3 混凝土強度等級對結構性能的影響對比

圖3 鋼管混凝土束剪力墻厚度對混凝土損傷的影響

圖4 混凝土強度等級對混凝土損傷的影響

(1)鋼管混凝土束剪力墻厚度增大和混凝土強度等級提高,最大層間位移角沒有明顯變化,罕遇地震下最大層間位移角滿足標準限值1/70。

(2)鋼管混凝土束剪力墻厚度增大,底部總剪力增大;混凝土強度等級提高,底層總剪力變化不明顯。

(3)當鋼管混凝土束剪力墻厚度增大,結構構件內力明顯增大,其中最大剪力明顯增加。鋼管混凝土束剪力墻抗剪承載力主要由鋼板提供,在鋼板厚度不變抗剪承載力沒有提高的情況下,剪力墻厚度增大使得剪力明顯增大,變相降低了墻體抗剪裕度,有違“強剪弱彎”的設計原則;鋼管混凝土束剪力墻厚度增大,軸壓比變化不明顯。

(4)鋼管混凝土束剪力墻厚度增大,剪力墻承載力增大,混凝土損傷減小,構件性能水平提升,當剪力墻厚度為130mm時,混凝土損傷較大,而當剪力墻厚度增大至150mm時,混凝土損傷得到明顯改善,當剪力墻厚度大于150mm時,剪力墻厚度對混凝土損傷的改善效果降低。

(5)鋼管混凝土束剪力墻混凝土強度等級提高,剪力墻剛度和內力無明顯變化,但剪力墻承載力增大,使得構件性能水平提升,混凝土損傷明顯減小。

(6)鋼管混凝土束剪力墻厚度增大和混凝土強度等級提高,用鋼量無變化。

3.3 端部腔體鋼管壁厚變化對結構性能的影響

相比于中間區(qū)域的鋼管,端部腔體鋼管在承受側向力的時候可以更充分發(fā)揮鋼材抗拉作用,對端部腔體鋼管進行加強,可以更有效地提升構件承載能力[6-11],同時端部腔體鋼管加強可以提高構件延性。

選取平面內長度較長的鋼管混凝土束剪力墻進行端部鋼管加強,選取的剪力墻如圖5所示。在其他因素不變的情況下,對端部腔體鋼管壁厚為6～12mm的鋼管混凝土束剪力墻進行分析,結果見表4,混凝土損傷的影響情況見圖6,得出以下結論:

表4 端部腔體鋼板厚度對結構性能的影響對比

圖5 端部腔體鋼管加強墻體

圖6 端部腔體鋼板厚度對混凝土損傷的影響

(1)端部腔體鋼管壁厚增大,最大層間位移角無明顯變化,罕遇地震下最大層間位移角滿足標準限值1/70。

(2)端部腔體鋼管壁厚增加,底層總剪力變化不明顯。

(3)僅端部腔體鋼管壁厚增大,鋼管混凝土束剪力墻剛度變化不明顯,結構構件內力和墻體軸壓比變化不明顯。

(4)就本算例而言,端部腔體鋼管壁厚增大,鋼管混凝土束剪力墻端部腔體內混凝土損傷輕微改善,中部混凝土損傷無明顯變化,整體構件性能水平無明顯改善。

(5)端部腔體鋼板厚度增大,用鋼量增大不明顯。

3.4 結構高度對結構性能的影響

在其他因素不變的情況下,對不同高度的結構做對比分析,結果見表5,混凝土損傷的影響情況見圖7,可以得出以下結論:

表5 不同結構高度下結構性能對比

圖7 結構高度對混凝土損傷的影響

(1)結構高度增大,最大層間位移角沒有明顯變化,罕遇地震下最大層間位移角滿足標準限值1/70。

(2)結構高度增大,罕遇地震下底部區(qū)域剪力墻損傷加大,剛度退化程度加劇,底部總剪力減小。

(3)結構高度增加,底層邊墻KQ1的最大彎矩和最大剪力增大,當高度達到54m后,最大彎矩開始減小,最大剪力繼續(xù)增大,反映了底層鋼管混凝土束剪力墻抗彎屈服,抗剪不屈服,符合“強剪弱彎”的設計原則;底層電梯井外圈墻KQ2的最大彎矩和最大剪力降低,反映了剪力墻抗彎和抗剪均屈服;隨高度增大,層數(shù)增多,鋼管混凝土束剪力墻軸壓比增大。

(4)結構高度增加,構件性能水平降低,混凝土損傷明顯增長,當高度增加至54m時,剪力墻抗彎屈服,橫截面損傷因子超過0.9的面積最大達到30%,其余70%的混凝土橫截面損傷因子未達到0.9,可為剪力墻提供足夠的豎向承載力,混凝土損傷增長方向由水平發(fā)展轉為豎向發(fā)展。

4 結論和建議

據(jù)文獻[5]及本文的研究,某鋼結構住宅工程項目采用鋼框架-延性鋼板墻結構體系,用鋼量約250kg/m2,與同高度鋼管混凝土束剪力墻結構體系測算用鋼指標相比,該體系用鋼量明顯減少,說明該體系在9度抗震設防區(qū)也有較好的應用場景。

(1)隨著鋼板厚度、混凝土強度等級、鋼管混凝土束剪力墻厚度、端部腔體鋼管壁厚和結構高度增加,罕遇地震下的最大層間位移角變化不大。

(2)隨著端部腔體鋼管壁厚增大和混凝土強度等級提高,底層總剪力、剪力墻剛度和內力無明顯變化,其中混凝土強度等級提高,罕遇地震下的抗彎抗剪承載力有明顯提升,損傷減小。

(3)當鋼板厚度、鋼管混凝土束剪力墻厚度增加和混凝土強度等級提高時,混凝土損傷明顯減小,其中當鋼板厚度超過6mm和剪力墻厚度超過150mm時,對混凝土損傷的改善效果降低。

(5)當結構增加至一定高度時,會出現(xiàn)底層剪力墻抗彎屈服,抗剪未屈服,屈服模式較為理想,也符合“強剪弱彎”的抗震設計原則,這說明在同樣布置和同樣的鋼管束截面條件下,有一個合適的高度適用范圍,使其罕遇地震下的符合先抗彎屈服耗能、后抗剪屈服的理想屈服模式。

(6)當鋼板厚度為4mm和鋼管混凝土束剪力墻厚度為130mm時,罕遇地震下混凝土損傷嚴重。在9度抗震設防區(qū)采用該結構體系時,建議下部樓層的鋼板厚度不宜小于6mm,鋼管混凝土束剪力墻厚度不宜小于150mm;提高混凝土強度等級是提高鋼管混凝土束剪力墻罕遇地震下承載力的最有效手段,設計中宜優(yōu)先考慮;鋼管混凝土束剪力墻厚度增大違背了“強剪弱彎”的原則,不應僅采用鋼管混凝土束剪力墻厚度增大的方式對構件進行加強;9度抗震設防區(qū)下鋼管混凝土束剪力墻結構最大適用高度不宜超過54m。