叶 珊

（同济大学土木工程学院，中国 上海200092）

0 概述

钢筋混凝土高层建筑通常由梁、柱、楼板和剪力墙及筒体等构成。剪力墙又称抗震墙，由于其抗侧力刚度大，具有良好的延性和耗能能力，是一种有效的抗侧力构件，在高层建筑中得到广泛的应用。现在随着我国人口的迅速增加，涌现出越来越多的超高层建筑，同时随着建筑高度的增加，底部剪力墙需要承担的竖向荷载和水平荷载都越来越大，但是为保证剪力墙的延性，需要严格控制剪力墙的轴压比和混凝土强度等级，因此只能通过增加剪力墙的厚度。但是过厚的剪力墙不仅施工复杂，而且导致结构的自重增大，这将增大了结构的地震作用。因此普通的钢筋混凝土剪力墙已经难以满足现超高层结构所需承担的荷载和倾覆力矩。综上所述，在普通钢筋混凝土剪力墙的基础上进行改进以改进其性能是十分必要和迫在眉睫的。

本文研究一种带约束拉杆的双层钢板-内填混凝土组合剪力墙[1]（本文简称SCSW剪力墙），此种组合的钢板混凝土组合剪力墙具有较高的承载力和较好的抗震性能，能更好的发挥钢材和混凝土的材料特性。本文针对SCSW剪力墙和传统钢筋混凝土剪力墙做了有限元计算对比分析，证明了带约束拉杆钢板-混凝土组合剪力墙具有更高的承载力，更好的抗震性能以及较大的经济效益。

1 对比试件概况

1.1 试件参数

1.1.1 传统剪力墙

大连理工大学的李宏男教授等人做了9片钢筋混凝土剪力墙在低周反复荷载作用下的试验研究[2]。其中有一组高宽比为1.5的传统剪力墙，墙体边缘设置暗柱，暗柱配筋率为4.5%，箍筋为6.5@150，墙体纵向钢筋配筋率为0.4%，水平配筋率为0.37%，混凝土的设计强度等级为C30，其他设计参数见表1。

表1 试件参数

1.1.2 带拉杆钢板-混凝土组合剪力墙

本文的模型为高宽比为1.5的SCSW剪力墙的1/8缩尺模型。钢板采用Q235强度等级的碳素钢，钢板厚度3mm，端部槽钢为［80×40×6，约束拉杆采用直径为6mm的4.8级全牙拉杆，内填混凝土的设计强度等级为C30，其他设计参数见表2。

表2 试件参数

2 有限元模型的建立

钢板与混凝土组合成的SCSW组合构件是依赖钢材和混凝土各自的特性及相互之间的协同工作。同济大学朱立猛等人对带约束拉杆钢板-混凝土组合剪力墙进行试验研究，试验现象为：SCSW组合剪力墙有在水平荷载反复循环作用下，内部混凝土先开裂，腹侧钢板局部屈曲加剧，侧腹钢板与端部槽钢螺栓连接破坏，端部槽钢根部腹板和翼缘屈曲，脚部混凝土压碎掉落出[1]。由此可见构件在加载后期将呈现较为明显的非线性，故可采用非线性有限元软件ABAQUS来模拟受力变形过程。为与对比文献能有更接近的尺寸，从而更直观的对比，本文采用1/8缩尺模型建立。

2.1 材料本构模型选取

2.1.1 混凝土材料本构模型

混凝土标号为C30，选用Damaged Plasticity模型，受压受拉的本构关系及损伤按照《混凝土结构设计规范》GB50010-2010的相关规定选取[3]。

2.1.2 钢材本构模型

钢材选用经典金属塑性理论的各向同性弹塑性材料模型，在多轴应力状态下满足Von Mises屈服准则及相关流动法则。

2.1.3 界面模型钢板和混凝土之间的界面模型均由法线方向的硬接触和切线方向的库伦摩擦模型的粘结滑移构成。

2.1.4 单元选取

内部核心混凝土选用C3D8，即三维八节点实体单元；侧腹钢板及端部槽钢选用四节点壳单元S4；约束拉杆采用三维线性杆单元（T3D2）。

3 计算结果分析

SCSW剪力墙通过有限元软件ABAQUS的拟静力加载模拟计算后，模型的应力分布情况如图1。

图1 有限元计算结果显示

从ABAQUS中分别提取出SCSW组合剪力墙SC1、SC2、SC3的水平推力-位移的数据，与对比文献[2]中模拟的传统钢筋混凝土剪力墙SJ-4、SJ-5、SJ-6模型的水平推力-位移的数据进行对比，如图2。由两组试件的墙顶水平力-位移曲线知，试件在荷载作用下，经历了弹性、塑性和极限破坏三个受力阶段。在屈服和极限破坏阶段，两组剪力墙的抗侧一刚度均有所退化，但普通剪力墙的刚度退化更为明显。这两组尺寸相似，高宽比一样，轴压比一致的剪力墙，在水平荷载作用下，SCSW组合剪力墙的初始刚度和极限承载力明显大于传统剪力墙。SCSW剪力墙的初始刚度约为传统剪力墙的6倍，承载力约为4倍。两组剪力墙，初始刚度和极限承载力均随着轴压比的增加而有所增大。

图2 SCSW剪力墙与传统剪力墙的水平力-位移曲线

图3 SCSW剪力墙与传统剪力墙的η-位移曲线

但是考虑到SCSW剪力墙的含钢量大于传统钢筋混凝土剪力墙的含钢量，为能在更接近条件下比较两者在达到极限荷载后所表现的延性及抗震性能，现引入一个系数η，本文暂称其为承载力退化系数，即为水平承载力与极限承载力之比。取出轴压比均为0.1的SCSW组合剪力墙试件SC1和传统剪力墙试件SJ-4做承载力退化系数-位移曲线如图3。由图3知，在试件达到屈服荷载（取为极限承载力的75%[4-5]，即η=0.75时）后系数η的增长速度有较为明显的下降，说明试件进入屈服阶段。在试件达到极限荷载（η=1.0）后，承载力退化系数η-位移曲线开始下降，说明试件进入了极限破坏阶段。由两条曲线对比知，进入极限破坏阶段后，传统剪力墙SJ-4的承载力退化的比SCSW组合剪力墙SC1更快，更严重。

4 结论

本文基于通用有限元软件ABAQUS，分别将带拉杆钢板-混凝土组合剪力墙和传统钢筋混凝土剪力墙的水平力-位移曲线、承载力退化系数-位移曲线进行对比分析，得出以下结论：

（1）SCSW剪力墙的抗侧承载力远大于与其尺寸、自重相近的传统钢筋混凝土剪力墙的抗侧承载力，约高3倍。可知SCSW剪力墙能满足相似尺寸下传统剪力墙所不能满足的超高层建筑中结构所需的抗水平荷载能力和抗倾覆力的要求。

（2）在剪力墙试件达到极限承载力后，SCSW剪力墙的承载力退化程度要缓于传统剪力墙。可知，SCSW剪力墙的抗震性能要强于传统剪力墙，更适合用于超高层等结构。

［1］朱立猛,周德源,赫明月.带约束拉杆钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究[J].建 筑结构学报,2013,34(6)：93-102.

［2］李宏男,李兵.钢筋混凝土剪力墙抗震恢复力模型及试验研究[J].建筑结构学报,2004,25(5)：35-42.

［3］GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].

［4］吕西林,董宇光,丁子文.截面中部配置型钢的混凝土剪力墙抗震性能研究[J].地震工程与工程振动,2006,26(6)：101-107.

［5］过镇海,时旭东.钢筋混凝土原理和分析[M].北京：清华大学出版社,2003.

［6］Rabbat,B.G.and Russell,H.G.Friction coefficient of steel on concrete or grout[J].Journal of Structural Engeering,1985,111(3)：505-515.

［7］朱立猛.带约束拉杆钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能研究[D].上海：同济大学,2013.