牟星宇，李 贤，3，吴元周，3，吕恒林，3*

(1. 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221000；2. 中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏 徐州 221000；3. 江苏建筑节能与建造技术协同创新中心，江苏 徐州 221000)

1 引言

剪力墙作为高层建筑的重要的抗侧力构件，对整个建筑物的坚固与否起着举足轻重的作用[1]，因此对剪力墙承压性能的研究颇受关注。近年来，高层建筑物中广泛应用了小跨高比钢框架内填混凝土剪力墙，主要是因为其具备框架结构的优点。剪力墙作为建筑的关键构件[2]，在外力作用下易发生破坏，导致整个墙面甚至整个建筑物损坏。因此，为改善小跨高比钢架构内填混凝土剪力墙的承压性能[3]，本文对剪力墙承压性能进行研究。通过拟静力加载实验进行剪力墙承压性能有限元分析，设计5个小跨高比钢架构内填混凝土剪力墙试件，通过对试件的低周反复加载仿真分析，研究试件跨高比、钢板厚度等对其所受承载力和耗能的影响，为小跨高比钢框架内填混凝土剪力墙承压性能奠定基础[4]。

2 材料与方法

2.1 试件设计

制作编号为CBB1～ CBB5的小跨高比钢架构内填混凝土剪力墙试件，对剪力墙墙肢进行模拟。为达到剪力墙测试更精确的目的，将上下约束端宽度设置为350mm且适当增加上下约束端的配筋量，使试件达到实验所需的约束和刚度。剪力墙截面高度设置为400mm、宽度为230 mm，通过调节其跨度，满足实验对跨高比的要求。

为配合实验，各试件增大了纵筋配筋率。期望试件受剪承载力小于受弯承载力，实现对钢框架内填混凝土剪力墙受剪承载力的研究。试件的纵筋配筋率、配箍率分别为1.66%和0.57%。

在小跨高比剪力墙受剪承载力的研究中，不考虑钢板锚固长度的影响，将5个试件的钢板锚固长度，设置为梁高的1.15倍，以此来保证钢板在剪力墙墙肢中的锚固；将抗剪栓钉均匀焊接在锚入混凝土端部段、连梁跨中，实现钢框架和混凝土的更好连接；将大量抗剪栓钉增加到锚固区。通过以上操作，可使钢板有效参与抗剪。表1给出了5个试件的具体参数。其中，ln/h代表跨高比，ln代表净跨，h代表截面高度；dw代表钢板截面高度；tw代表钢板截面厚度；ρp代表配钢率。

表1 试件主要参数

试件采用C38混凝土，混凝土抗压强度、轴心抗压强度平均值分别为48.16MPa、34.20MPa。试件钢框架用钢板、钢筋的力学性能如表2、表3。

表2 钢板力学性能

表3 钢筋力学性能

2.2 ABAQUS计算模型建立

2.2.1 力学模型

根据试件实际情况进行非线性分析，使小跨高比剪力墙上各节点的位移在大小方向上相同，从而实现对模型边界的约束。混凝土遵循《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)。

2.2.2 单元选取

钢板、混凝土板都用C3R8三维实体单元模拟，两者均使用120mm网格。要求每个节点必须用两个弹簧模拟混凝土的相互作用(切向和法向作用)，本文钢板、混凝土间的相互作用用弹簧单元spring2(取自ABAQUS)模拟。切向时，用弹簧滑移曲线表示[5]；法向时，则用弹簧刚度调节钢板面外变形。

2.2.3 材料本构关系

用双线强化弹塑性模型计算试件所用钢材，模型中，钢材弹性模量E=2.06×105MPa；泊松比v=0.3；屈服强度fy=235MPa；取弹性模量0.02倍为强化段的斜率且遵守Von Mises屈服准则。

用塑性损伤模型计算混凝土，混凝土单轴受压、受拉本构关系就是其单轴本构关系[6]。模型中，混凝土受拉、受压情况下，混凝土刚度退化情况由取值范围在0～1的受压、受拉损伤因子dc、dt的值决定，dc、dt取值为0时，说明混凝土无损伤，dc、dt为1时，则完全失去强度。n>1为受压或受拉的构件长度变化系数。损伤因子的计算如下

当n>1时，

(1)

dt=k-1.2+0.2n5

(2)

当n<1时

(3)

(4)

式中，αt、αc分别为损伤程度次数，取用于《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)。

抗压、抗拉刚度值k的取值分别为k=7×104N/mm、k=2×104N/mm。

2.3 试件加载及量测

对试件的加载采用与国内外研究者所用L型加载装置相似的装置[7]，尽可能将试件的实际受力状态呈现出来。沿着试件纵轴将试件竖直放立，此时试件的上下约束端，就相当于联肢墙的墙肢[8，9]。用压梁将连梁下端固定到刚性台座，用螺栓将上端连接到L型加载钢臂上。

通过荷载-位移混合的方式控制试件水平方向的加载[10]。屈服前用荷载控制试件，每循环一次，每级荷载加45kN；试件的荷载-位移曲线出现明显转折时，判定试件屈服，屈服后的加载量按整数倍的屈服位移[11，12]，每级要求循环次数为3；以峰值荷载的0.85倍为标准，达标后继续加载，位移角约1/11时，结束加载。

用伺服作动器内部系统获取水平荷载数据。不考虑试件底部滑移的影响，在试件上端部中部安装水平位移计，并在下端部的钢架上将其固定，以此实现试件两端相对线位移Δ的测量。针对传统的沿试件对角布置2个位移计量测范围小、测试结果偏差等问题，本文实验采用粒子图像测速法PIV测量试件变形性能，将其与传统量测方法相结合对试件进行量测。

在试件连梁墙交界截面布置纵筋应变片；在箍筋长肢上布置两种应变片，一种布置2个应变片，一种布置3个应变片，分别用来量测两端、中点处的应变；在钢板上下边缘布置应变片、连梁轴线梁墙交界与跨中等关键截面布置应变片；用动静应变测试系统自动采集数据。

3 实验结果与分析

3.1 应力云图

图1为应用本文方法ABAQUS有限元软件进行仿真生成的5个试件极限承载时的应力云图，可以反映出极限承载时试件各部分的应力大小和分布，其中颜色越深的部分，承压危险性越高。

图1 各试件应力云图

通过本文方法得到的5个试件的应力云图可以看出：CBB1的危险应力区域最大，试件最容易破坏；然后依次为CBB2、CBB3、CBB4；试件CBB5最不容易被破坏。

3.2 骨架曲线

图2为跨高比相同、配钢率不同的CBB1、CBB2、CBB3三个试件的骨架曲线，图3是配钢率相同，跨高比不同的CBB4、CBB2、CBB5三个试件的骨架曲线。

图2 不同配钢率骨架曲线

从图2可以看出，CBB3试件的弹性段最长，峰值荷载提升显著，其次是CBB2，最后是CBB1。说明在跨高比相同的情况下，随着配钢率的增加，钢板承受更多剪力，试件的配钢率越高，延性越好承压性能也越好。

图3 不同跨高比骨架曲线

从图3可以看出，CBB5试件的弹性段最长，峰值荷载最高，其次为CBB2，峰值荷载最低为CBB4。实验结果说明在配钢率相同情况下，随着试件跨高比的增加，试件表现出了良好的延性，使得试件的承压性能得到提升。

3.3 耗能能力

各特征点反复荷载下的累计耗能E可表示试件耗能情况。5个试件屈服、峰值、破坏荷载时的累积耗能如表4所示：

表4 试件累积耗能

由表4分析可得，跨高比分别为1、1.6、2.1的CBB4、CBB2、CBB5三个试件在屈服、峰值阶段的耗能无大的波动变化，说明在这两个阶段跨高比对其耗能的影响并不明显，而在破坏荷载时，CBB4 、CBB2、CBB5的累积耗能分别达到19997kN/mm、26230kN/mm、53159kN/mm，呈大幅度增长，说明在破坏荷载阶段，跨高比对耗能的影响显著，并且跨高比与试件的耗能能力呈正相关；试件CBB1、CBB2、CBB3具有相同的跨高比，均为1.6，配钢率依次增大，将三个试件的耗能进行对比，此实验结果表明：在跨高比相同的情况下，随着配钢率的增加，屈服、峰值、破坏阶段的试件的耗能也随之增加。

3.4 刚度退化曲线

刚度退化曲线表示刚度退化现象。等效刚度K值计算如式(5)

(5)

式(5)中，Fi、Δi分别表示第i次循环的最大荷载、对应位移。

图4为跨高比相同下，不同配钢率的CBB1、CBB2、CBB3试件的刚度退化曲线。

图4 不同配钢率的刚度退化曲线

由图4可看出，试件CBB3的刚度退化曲线高于试件CBB2，CBB2试件的刚度退化曲线高于CBB1。说明在跨高比相同情况下，试件配钢率越大，刚度退化越不明显，表明其耐损伤能力更强。

图5给出的是配钢率相同的情况下，跨高比不同的CBB4、CBB2、CBB5三个试件的刚度退化曲线。

图5 不同高比的刚度退化曲线

由图5可以看出，试件CBB5的刚度退化曲线高于试件CBB2，试件CBB2的刚度退化曲线又高于CBB4。说明配钢率相同的情况下，跨高比越高，试件的耐损伤能力越强。

4 结论

1)运用ABAQUS有限元软件对5个试件进行有限元仿真分析，得到各试件的应力云图，应力云图清晰地反映了各试件的各部分应力大小与分布以及应力的危险区域，为小跨高比钢框架内填混凝土剪力墙承压性能的研究提供了有效的参考依据。

2)跨高比和配钢率是影响小跨高比钢框架内填混凝土剪力墙承压性能的主要因素。表现为随着跨高比和配钢率的增加，试件骨架曲线弹性段越长，试件延性变强，具有更好的承压性能。

3)耗能能力也是衡量小跨高比钢框架内填混凝土剪力墙承压性能的一个重要指标。本文将5个小跨高比钢框架内填混凝土试件在屈服、峰值、破坏荷载时的累计耗能绘制成表，通过分析得出，随着试件配筋率的增加，试件的耗能也随之增加，并且跨高比在破坏荷载阶段对试件的耗能影响显著，随着跨高比的增加，试件的耗能能力也随之增加，使得试件具有更好的承压性能。

4)刚度退化曲线可以反映出试件的耐损程度，在其它参数一定的情况下，随着试件跨高比和配钢率的增加，试件耐损能力增强，显示出更好的承压性能。