于立彬 张延庆

剪力墙作为高层结构的抗侧力构件,它的抗震性能对高层建筑有重要的影响。近来钢和混凝土组合剪力墙在高层建筑尤其是复杂高层建筑中的应用和研究越来越多。如何提高和改善组合剪力墙的抗震性能已成为工程界十分关注和亟待解决的问题。钢管混凝土边框组合剪力墙是一种新型组合剪力墙,即在钢管混凝土边框间浇筑钢筋混凝土剪力墙,钢管混凝土边框和钢筋混凝土剪力墙之间采用抗剪连接键可靠连接。这种组合剪力墙结构具有轴向承载力高、延性好及混凝土墙体侧向刚度大、抗震性能好的优点。在结构抗震设计中,轴压比是影响剪力墙抗震性能的主要因素。因此,合理地确定轴压比是解决结构设计问题的前提。

1 轴压比对钢管混凝土边框组合剪力墙延性的影响

1)预压应变的影响。钢管混凝土边框组合剪力墙在受到轴向荷载N后,将产生一个压应变,在水平荷载作用下,受压一侧的压应变将继续增大,轴压比影响钢管混凝土边框组合剪力墙的延性,实质就是轴向荷载所产生的预压应变对截面延性的影响,轴压力越大,预压应变越大,使得截面的转角变小,从而降低钢管混凝土边框组合剪力墙的延性。2)附加弯矩的影响。钢管混凝土边框组合剪力墙受到水平荷载作用时,轴向力将产生附加弯矩,而降低延性。当轴力为定值时,随着试件水平位移的不断增大,附加弯矩的影响越来越大,若截面抵抗弯矩一定,则水平承载力将会不断降低,而且随着位移的增大,由于受压混凝土的破坏程度不断加大和钢材的屈服,截面承受弯矩的能力也会不断降低,这些将导致水平承载力不断下降。

2 有限元模型的建立

本文利用大型有限元软件ANSYS对钢管混凝土边框组合剪力墙受力性能进行了有限元模拟。对于钢管壁与混凝土之间的粘结模拟,少数研究者在钢单元与混凝土之间加入了滑移单元或间隙单元,结果表明考虑界面之间的滑移性能对钢管混凝土结构的整体受力性能影响不大,因此本文在分析过程中,假定钢管壁和混凝土之间完全粘结。

2.1 模型的几何尺寸

为了研究轴压比对钢管混凝土边框组合剪力墙的受力性能影响,设计了QY系列试件,详见表1,模型横截面尺寸见图1。

表1 试件尺寸明细表

2.2 单元的选取

在ANSYS中采用Solid65单元来模拟混凝土的材料性质,该单元为三维钢筋混凝土实体。钢管壁采用八节点六面体单元Solid45,抗剪键采用Beam188单元。

2.3 材料模型的确定

混凝土等级为C50,弹性模量为3.45×104N/mm2,泊松比为0.2;对于钢材,假定钢材为初始各向同性材料,选用Q235,应力应变关系采用双线性随动强化模型来描述。

2.4 加载制度

钢管混凝土边框组合剪力墙墙底固定,墙顶不加约束,求解时首先在结构顶部施加轴压荷载,为了使施加水平荷载时结构不至于在加载点因为受力太大而产生局部点受压破坏,故将荷载分散加在不同的节点上,然后在竖向荷载恒定的情况下施加水平荷载。

3 QY系列试件有限元计算结果及分析

n0=N/Nu。其中,n0为钢管混凝土边框组合剪力墙的设计轴压比;N为轴力;Nu为轴压设计承载力。

3.1 荷载—位移曲线分析

有限元计算QY系列试件荷载—位移曲线如图2～图6所示。

轴压比对试件荷载—位移曲线的形状影响较大。轴压比较大时,结构的位移比较小,轴压比较小时,则位移相对比较大。

随着轴压比的增加,构件的承载力出现减小的现象。此外,同类试件在线性阶段的斜率相差不大,说明试件在弹性阶段的刚度变化不大。

3.2 延性性能分析

从图2～图6的水平荷载—位移曲线可以看出:1)各钢管混凝土边框组合剪力墙的位移比较大,说明钢管混凝土边框组合剪力墙的延性性能比较好。2)随着轴压比的增加,结构的延性越来越差,轴压比小时,延性比较大;相反,轴压比比较大时,延性比较小。

3.3 承载力结果分析

表2列出了各轴压比下结构出现初始屈服时结构的水平荷载和结构破坏时的极限荷载。

表2 不同轴压比下结构荷载表 N

由表2中数据对比可见,轴压比对钢管混凝土边框组合剪力墙的屈服荷载有明显的影响,随着轴压比的不断增大,屈服荷载逐渐变小。轴压比对钢管混凝土边框组合剪力墙的极限荷载影响不明显,在轴压比为0.5时,极限荷载达到最大值。

3.4 破坏形态分析

在0.3和0.4的轴压比下,结构的水平承载力随着轴压比的增大而增大,因为此时对结构的破坏起控制作用的是受拉区的钢筋屈服,随着受拉区钢筋的屈服,受压区的钢管壁也达到屈服应力,受压区的混凝土被压碎。

在0.5,0.6,0.7的轴压比下,随着竖向荷载的增大,此时控制结构破坏的是受压一侧的混凝土,随着水平荷载的增加,受压一侧的钢管壁的下部出现初始屈服,但此时结构并未丧失承载能力,仍有一定的安全储备,直到最后剪力墙右侧底部的混凝土被压碎,钢管壁发生屈曲破坏,此时结构丧失承载能力,结构的最大水平承载力随着轴压比的增大而减小。

4 结语

1)轴压比对钢管混凝土边框组合剪力墙的延性性能有明显的影响,随着轴压比的增大,延性逐渐降低。轴压比主要通过预压应变和附加弯矩影响柱的延性。

2)轴压比对钢管混凝土边框组合剪力墙的屈服荷载有明显的影响,随着轴压比的增大,屈服荷载逐渐减小,而对极限荷载影响不明显。在右侧钢管的底部存在应力集中现象,因此对钢管的底部应加大刚度。

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