M型钢-混凝土组合剪力墙抗震性能有限元分析_张国伟.pdf

第 53 卷 第 3 期2023 年 2 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.3Feb.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.20211188北京建筑大学市属高校基本科研业务费专项(X20063)。第一作者:第一作者:张国伟,博士,教授,硕士生导师,主要从事工程结构抗震及减震技术、装配式混凝土结构、结构检测与加固等研究,Email:zhangguowei 。通信作者:通信作者:高海智,硕士研究生,主要从事装配式混凝土结构研究,Email:ghz876370068 。M 型钢-混凝土组合剪力墙抗震性能有限元分析张国伟1,2,安佳宁1,2,高海智1,2,乔东需1,2(1 北京建筑大学大型多功能振动台阵实验室,北京 100044;2 北京建筑大学工程结构与新材料北京高等学校工程研究中心,北京 100044)摘要:为避免小剪跨比剪力墙在地震下发生脆性剪切破坏,提出一种 M 型钢-混凝土组合剪力墙,采用 M 型钢作为剪力墙竖向分布钢筋,具有整体性能好、抗扭刚度大、施工效率高等特点,在大震下呈现分缝受力的破坏模式,表现出良好的抗震性能。采用 ABAQUS 有限元软件对 M 型钢-混凝土组合墙体进行非线性拟静力分析,研究不同免拆模板类型、轴压比、水平钢筋配筋率对墙体的抗震性能的影响,对墙体的塑性损伤分布情况进行对比分析。结果表明:有限元模拟结果与试验结果吻合程度良好,墙体混凝土损伤呈两阶段分布。M 型钢-混凝土组合墙体具有较大的承载力和抗侧刚度,免拆模板类型对墙体抗震性能影响不大,降低水平钢筋配筋率会使墙体承载力显著下降,加速刚度衰减,延性和耗能能力显著增强,减小轴压比会降低墙体承载力,但延性系数有所提高。关键词:M 型钢;组合墙体;抗震性能;配筋率;轴压比;塑性损伤 中图分类号:TU398.2,TU352.11 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)03-0021-06引用本文 张国伟,安佳宁,高海智,等.M 型钢-混凝土组合剪力墙抗震性能有限元分析J.建筑结构,2023,53(3):21-26,63.ZHANG Guowei,AN Jianing,GAO Haizhi,et al.Finite element analysis on seismic performance of M-section steel-concrete composite shear wallJ.Building Structure,2023,53(3):21-26,63.Finite element analysis on seismic performance of M-section steel-concrete composite shear wall ZHANG Guowei1,2,AN Jianing1,2,GAO Haizhi1,2,QIAO Dongxu1,2(1 Multi-Functional Shaking Tables Laboratory,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China;2 Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Civil Engineering Structure and Renewable Material,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China)Abstract:In order to avoid brittle shear failure of small shearing-span ratio shear walls under earthquakes,an M-section steel-concrete composite shear wall was proposed.The structure uses M-section steel as the vertical distribution steel bars of the shear wall,which has the characteristics of good overall performance,high torsional rigidity and high construction efficiency.It presents a fracture mode of joint stress under large earthquake,showing good seismic performance.The nonlinear pseudo-static analysis of M-section steel-concrete composite wall was done by finite element analysis software ABAQUS.The effects of different types of non-demolition formwork,axial compression ratio and horizontal steel reinforcement ratio on the seismic performance of the shear walls were studied.The damage distribution of shear walls was compared and analyzed.The results show that finite element software analysis results can simulate the test results accurately,the damage of concrete is distributed in two stages of wall.The M-section steel composite walls has greater bearing capacity and lateral rigidity.The type of non-dismantling formwork has little effect on seismic performance of the wall.The bearing capacity of the wall will decrease significantly if the horizontal reinforcement ratio is reduced,the stiffness degradation is relatively accelerated,the ductility and energy dissipation capacity are significantly enhanced.Reducing the axial compression ratio will reduce bearing capacity of the wall,but the ductility coefficient will increase.Keywords:M-section steel;composite wall;seismic performance;reinforcement ratio;axial compression ratio;plastic damage 0引言 冷弯薄壁型钢-混凝土组合剪力墙是一种采用型钢取代剪力墙的纵向分布钢筋,具有整体性强、抗震性能好、便于施工的新型结构体系。目前国外学者对该组合剪力墙进行了试验及有限元分析,研究其构造形式、螺栓间距、墙体尺寸等对试件性能的建 筑 结 构2023 年影响1-2。初明进等3-5对冷弯薄壁型钢组合墙体进行抗剪性能试验研究,分析影响该结构体系受剪性能的因素并对提出的受剪承载力计算式进行验证,同时对此墙体的设计原则和构造措施给出了合理性的建议。此外,初明进等6进一步研究该墙体的破坏形态,结果表明:由于型钢的作用使得墙体从整体破坏模式转变为分缝破坏模式,避免了小剪跨比剪力墙的剪切破坏。文献7通过试验及有限元分析得出:采用冷弯薄壁型钢充当剪力墙的内置骨架能够显著增强其抗震性能,并对不同剪跨比剪力墙的构造给出合理性的建议。文献8中对开洞的冷弯薄壁型钢组合剪力墙进行试验研究,结果表明:墙体的抗剪刚度随开洞率增大而减小,适当提高开洞率可使结构的耗能能力增强,并建议在实际工程中加强墙体角部和洞口处的连接。文献9中采用数值模拟得出:墙体抗弯性能随着型钢的屈服强度、轻质混凝土强度的提高而增强,为了使结构部件间更好地发挥协同作用,给出了螺钉间距的控制值。本文中的 M 型钢采用 M 形截面的冲孔式冷弯薄壁型钢,用其代替墙体纵向钢筋,如图 1 所示。在其腹板设置镂空的椭圆形孔,可增大型钢与混凝土之间的咬合力,在型钢腹板内设置双排穿筋孔,将水平钢筋与穿筋孔点焊组成墙体骨架,具有抗扭刚度大、整体性好的优点,同时便于免拆模板的固定及试件的吊装。M 型钢的两端均伸入墙体的顶梁与地梁中,确保接缝界面处可以形成良好的传力机制。在墙体与地梁交界面处设置直径为 10mm 的 U 形插筋,布置在 M型钢之间,伸入地梁的锚固长度为 300mm。金属板网为金属板材经机械切割延伸扩张而成形的孔状网,由若干间距为 60mm 的 V 形加强肋和厚度为 0.7mm 的金属板网组成,如图 2 所示。当免拆模板为金属板网时,将其包裹在墙体骨架两侧,用自攻螺栓将金属板网与 M 型钢的边肋固定;当免拆模板含有聚苯板时,将聚苯板一侧做燕尾槽处理,增加与混凝土的摩擦力,并在墙体内部设置连接件固定聚苯板。图 1 M 型钢图 2 金属板网课题组已对 M 型钢-混凝土组合剪力墙结构10进行抗震性能试验研究及理论分析。本文在验证所建立的有限元模型正确合理的基础上,通过对该墙体进行数值模拟研究并与试验结果对比,进一步分析此组合墙体的抗震性能并作为试验数据的有益补充。1试验概况1.1 试件概述 在 M 型钢-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究中,主要变化的参数为免拆模板类型、轴压比及配筋率,其中水泥纤维板作为试验构件中的一种模板类型,因其与免拆模板为聚苯板的试件对墙体抗震性能的影响几乎一致,在此不再对其进行建模分析。本文所建模型的编号为 MW1MW4,试件参数见表 1,试件尺寸及配筋图见图 3。墙体采用 C30 自密实混凝土浇筑,实测混凝土立方体抗压强度平均值为 42.2MPa,弹性模量为 3.15 104N/mm2。墙体 钢 筋 等 级 均 为HRB400,弹 性 模 量 为2.0105N/mm2。M 型钢及金属板网的等级均为Q235B 级,其弹性模量均为 2.06105N/mm2,钢材材性试验结果见表 2。表 1 试件参数试件编号水平钢筋间距/mm轴压力/kN左侧免拆模板右侧免拆模板MW12001 000金属板网金属板网MW23001 000金属板网聚苯板MW3200900金属板网聚苯板MW42001 000金属板网聚苯板表 2 钢材材性试验结果种类直径/mm屈服强度/MPa极限强度/MPa钢筋25466546钢筋20456561钢筋16462563钢筋10424571钢筋8431543M 型钢3284091.2 加载制度 在有限元模拟中,采用位移控制加载方式。屈服前每级加载位移值取试件在试验中屈服前的实际位移值,每级荷载循环一次,屈服后以 6mm 为级数进行加载,每级循环三次。当墙体的极限承载力下降至峰值荷载的 85%时,停止加载。2有限元模型设计2.1 有限元模型建立 在有限元模型中,混凝土和聚苯板均采用C3D8R 实体 单 元 建 立,由 于 M 型 钢 厚 度 仅 有1.2mm,远小于