建筑钢混剪力墙抗震特性数值模拟研究

2021-11-17李沙沙蒋玉飞

计算机仿真 2021年2期

李沙沙，蒋玉飞，康英

(四川大学锦江学院，四川眉山 620860)

1 引言

近些年，随着社会需求的提高，建筑行业发展迅猛，建筑结构越来越大、越来越复杂，建筑的高度也在不断刷新[1]。建筑高度增加带来了建筑安全性问题，很多国家地处地震带或地震带的交汇处，这些地带地震活动频繁，地震灾害严重人们的生活环境[2-4]。面对灾害的随机性和复杂性，建筑很可能遭受到严重破坏，这种情况下，对建筑的抗震性能提出了更高的要求[5]。

国内外建筑专业相关的学者与专家经过多年的研究与实践，研究出了一种钢混剪力墙作为建筑的构件，被应用在广泛的建筑中。面对地震灾害的不断变化，针对钢混剪力墙结构逐渐发展出一套完整的抗震特性研究方法，应用比较广泛、比较成熟的方法就是数值模型和模拟方法[6]。现阶段，数值模拟方法已经成熟，针对不同的情况也有了很多专用的数值模拟方法，在建筑方面，有基于OpenSEES的数值模拟方法和基于Revit平台的数值模拟方法，在使用数值模拟方法分析抗震性能过程中，很难在变化的试验条件下保持稳定，对于能量消耗的控制和参数影响均衡水平难以掌握[7-9]。因此，提出建筑钢混剪力墙抗震特性数值模拟研究，在原有资料的基础上，设计新的数值模拟方法，解决上述中存在的问题。

2 建筑钢混剪力墙抗震性能数值模拟方法设计

2.1 建立有限元模型

对于建筑钢混剪力墙的模拟，采用有限元法将剪力墙划为离散单元之后，使用插值函数描述离散单元，在确定某个插值函数后，通过控制离散单元数量来控制有限元法求解问题的精确程度，离散单元越多精确程度越高。在实际数值模拟过程中，对于钢混剪力墙抗震性能分析精度要求不高，需要在权衡问题求解的精度与离散单元划分数量之间找到一个平衡点，得到最佳结果。实际模拟过程如下。

对于建筑钢混剪力墙抗震性能的数值模拟，使用Concrete01来模拟剪力墙的混凝土，模拟剪力墙的裂缝开合的力学特性[10]。Concrete01参数如图1所示。

图1 Concrete01参数

在计算混凝土的本构关系时，选用修正的Kent-Park模型计算核心区混凝土[11]。修正的Kent-Park模型本构方程及相关参数如下

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)表示的是受压曲线段方程，其中α表示受压强度，e表示箍筋约束对混凝土受压强度的提高系数，b1表示混凝土的圆柱体抗压强度，σ表示混凝土的极限应变，b2表示箍筋的屈服强度，c表示受压下降段的斜率[12]。核心区混凝土的本构结构由上式计算获得。对于钢混剪力墙中的钢筋采用Steel02模拟，其本构关系特征参数取值如表1所示。

表1 钢筋参数取值

表中显示的是直径为6mm、8mm、10mm、12mm的钢筋参数。在已知混凝土和钢筋参数的基础上，定义剪力墙截面，采用patch rect命令定义混凝土范围，使用layer straight命令定义钢筋。建模从剪力墙底部开始，逐渐向上完成建筑钢混剪力墙的整体建模。

在初始分析步里，设置模型各部件之间相互作用，在有限元模型中主要分为两种，一种钢管束和混凝土之间的接触问题，另一种是钢管束之间的连接问题。其中对于钢管束问题，在建立模型过程中，不需要考虑焊缝问题对构件的影响，各个钢管束之间通过merge命令形成一个钢管束整体。为了保证钢管束与混凝土在变形均比较正常的情况下，不因法向压力变化穿透现象。计算混凝土与钢管束的滑移，把它们之间的接触面设置为主从面，钢板接触面设置为隶从面，在设定初始边界时将钢混剪力墙模型底部视为完全嵌固端。

2.2 抗震性能指标确定及计算

建筑钢混剪力墙的抗震性能的分析主要是对剪力墙的抵抗荷载作用的能力，抵抗变形的能力和结构的耗能能力进行研究分析。在地震作用下，剪力墙处于一个不断吸收和消耗能量的过程，受到外界作用力的作用，在抵抗荷载能力达到极限时，可能会发生变形的情况。针对这一特性，确定抗震性能指标为承载力、刚度和延性以及耗能能力。其中承载力分为屈服承载力和极限承载力，这两项参数从图2中得以确定。

图2 承载力的确定

钢混剪力墙的割线刚度计算公式如下

(5)

式中Ri表示剪力墙在第i级加载下的割线刚度，Ri表示剪力墙在第i级正向水平力加载下最大荷载值，其对应的位移值就是Δi；-Ri表示剪力墙在第i级反向水平力加载下最大和载值，其对应的位移值为-Δi。衡量结构或构件延性的大小一般用位移延性系数表示，公式为

(6)

式中Δω表示极限破坏时的位移，Y表示屈服位移。能量消耗能力通过滞回曲线所包围的面积来判断，根据剪力墙的实际耗能情况来确定。

2.3 抗震性能数值模拟分析

运用ABAQUS分析软件对建立的剪力墙有限元模型进行水平向反复加载的模拟，得到钢混剪力墙的滞回曲线，从中提取出骨架曲线，进而计算出屈服承载力、峰值承载力和极限承载力，计算结果值越高说明钢混剪力墙的承载力越好。

ABAQUS软件中包括两个主求解器模块，分别是Standard和Explicit，并且在实际工作中该软件还提供了一些专用接口，如Design、Auqs和MOLDFLOW接口等，便于解决各种问题。该软件的集成工作环境是CAE，具有建模和监控运算等多项功能，对实时掌握数值模拟分析过程有很大帮助。

根据钢混剪力墙在水平加载过程，得到剪力墙的刚度退化曲线。正常情况下，随着水平荷载的增加，钢混剪力墙的切线刚度开始发生退化现象，在钢混剪力墙达到峰值承载力时，继续加载，钢混剪力墙刚度退化较为明显，在加载的后期钢混剪力墙刚度退化的趋势通过曲线的斜率来分析，曲线斜率越大，说明钢混剪力墙刚度变化比较稳定，反之刚度变化比较大。

抗震特性中的耗能特性主要利用水平向反复加载过程中的滞回耗能及等效占滞阻尼系数来衡量。正常情况下，加载初期钢混剪力墙处于弹性阶段，耗能比较小，随着水平荷载的增加，钢混剪力墙将会进入到弹塑性工作阶段，此时形成的滞回曲线面积逐渐增大，耗能能量增加，根据滞回曲线面积的变化来衡量耗能能力。通过以上三项指标即可确定建筑钢混剪力墙的抗震性能，至此，建筑钢混剪力墙抗震性能数值模拟分析完成。

3 建筑钢混剪力墙抗震特性数值模拟研究

3.1 实验试件几何参数设计

实验中使用两片钢混剪力墙试件，试件结构形式、尺寸和配筋如下图所示。

图4 截面配筋布置图

墙板基础部分以上高度为2.5m，宽为1.5m，厚度为200mm，核心现浇区混凝土厚度为100mm。这两个试件在构造方式和尺寸参数等方面完全相同，仅在插筋面积上有所不同。使用的混凝土材料设计强度为C30，钢筋材料的力学性能如表1所示。

表2 钢筋材料力学性能

以上纵筋和基础插筋均采用弹性段和塑性段比较明显的HRB400级钢筋。

3.2 加载方案设计

实验开始时，施加竖向荷载，墙体按照实际轴压比0.12进行施加，实验轴压比实际结构小。实验中采用位移控制的方式进行水平加载，如图5所示。

图5 加载制度

在实验前，控制作动器水平位移进行加载，位移距离分别是2、3、4、5、6、7mm，每个位移值循环一次；循环完成后，按照试件总高的0.25%、0.50%、0.75%等进行加载，直到试件承载力下降到最大承载力的85%左右时结束。此时分别使用不同的数值模拟方法来分析剪力墙的抗震特性。在上述过程中，定义作动头伸长为正向加载，缩短为负向加载。

3.3 参数影响实验结果及分析

数值模拟中需要对抗震性能进行分析，涉及的参数比较多，不同参数在数值模拟中有不同的影响比重，如果在对参数模拟过程中，出现占比失衡的情况，将影响后续抗震性能分析结果。因此，参数影响实验主要计算数值模拟过程中参数的权重，根据权重结果分析数值模拟方法中参数的均衡效果。实验结果如下所示。

图6 不同数值模拟方法参数影响实验结果

实验中以承载力、刚度和延性参数作为指标。对比观察图中结果，图a中显示在三个参数的权重分布中，承载力的权重远远高于另外两个参数；图b中参数刚性权重和刚性高于承载力参数，其中刚性参数权重最高；图c中结果显示，三个参数权重分布比较均匀，之间差值不超过0.25，在标准范围内。综上所述，设计的建筑钢混剪力墙抗震特性数值模拟方法参数权重均衡，在抗震性能分析条件的变化下，对数值模拟结果影响极小。

3.4 能量耗散控制效果实验及分析

分别在0.2g、0.4g、0.9g和1.2g的地震波作用下，使用三种不同的数值模拟方法对钢混剪力墙抗震性能进行分析，使用第三方插件输出能量耗散控制情况，具体结果如下表所示。

表3 不同数值模拟方法能量耗散控制效果实验结果

表中显示的数据是在数值模拟过程中，能量耗散控制的波动值，波动值越高说明能量耗散控制范围不精准、控制不稳定，反之则说明控制精准稳定。从表中数据可以看出，随着地震波的增加，各个数值模拟方法的波动值在不断增加，并且增加幅度越来越大。但是对比观察各组数据可知，提出的数值模拟方法波动值极小，始终在1.0以下。结合上述参数影响实验结果可知，提出的建筑钢混剪力墙抗震特性数值模拟方法能量控制稳定、参数影响均衡，在多变的条件下能够始终保持自身的模拟水平，该方法优于传统的数值模拟方法。