基于纤维单元的双钢板高强混凝土组合剪力墙抗震性能分析

基于纤维单元的双钢板高强混凝土组合

*

剪力墙抗震性能分析

童师敏

陈

麟

吴珊瑚

周

云

（广州大学土木工程学院，广州510006）

摘

要：双钢板高强混凝土组合剪力墙是由双层钢板内填高强混凝土构成的一种新型抗侧力构件。采

用OpenSEES软件，基于纤维单元建立了双钢板混凝土组合剪力墙的有限元模型，通过已有试验验证了分析结果的准确性。在此基础上，分析了轴压比、剪跨比、含钢率、边柱形式等因素对组合剪力墙抗震性能的影响。结果表明：组合剪力墙的承载力随轴压比增大略有增加，但变形能力降低；剪跨比越小，剪力墙的初始刚度和承载力越高，但变形能力下降；含钢率增大，剪力墙的承载力和变形能力都明显提高，耗能能力也增大；端柱对墙肢的约束作用比暗柱更好。

关键词：组合剪力墙；高强混凝土；抗震性能；纤维单元DOI：10.13204/j．gyjz201503032

ANALYSISOFSEISMICBEHAVIOＲOFDOUBLESKINHIGH-STＲENGTHCOMPOSITE

SHEAＲWALLUSINGFIBEＲELEMENTS

TongShimin

ChenLin

WuShanhu

ZhouYun

（SchoolofCivilEngineering，GuangzhouUniversity，Guangzhou510006，China）

Abstract：Doubleskinhigh-strengthcompositeshearwallisanewtypeoflateralforce-resistingsystemforhigh-risebuildings，whichcomprisestwosteelplatesconnectedbytiebarsandaninfillofhighstrengthconcrete．FiniteelementmodelsofdoubleskincompositeshearwallswereconstructedusingfiberelementsandOpenSEESsoftware．Theaccuracyoftheanalyticalresultswasverifiedwiththequasi-statictestresults．Basedonwhichitwasanalyzedtheeffectsofaxialforceratio，shearspanratio，steelratioandtypeofedgecolumnsetcontheseismicbehaviorofthecompositeshearwalls．Theresultsshowedthatdeformationcapacityofcompositeshearwallsincreasedwithanincreaseinsteelratioandshearspanratio，decreasedwithanincreaseintheappliedaxialforceratio．Thestiffnessandloadcarryingcapacityoftheshearwallsincreasedwiththeincreaseinsteelratioandthedecreaseinshearspanratio．Doubleskincompositeshearwallwithendcolumnshadlargerdeformationandenergydissipationcapacitiesthanthecompositewallwithconcealedcolumns．

Keywords：compositeshearwall；highstrengthconcrete；seismicbehavior；fiberelement

双钢板混凝土组合剪力墙是由双层钢板内填混凝土构成的一种适用于高层建筑的新型抗侧力构

件。外侧钢板通过拉杆或缀板拉结，不仅对混凝土产生约束作用，抑制其裂缝发展，还可作为施工时的模板；内部混凝土可有效抑制钢板屈曲。国内外学者对这种组合剪力墙的抗震性能展开了一系列的试

SungEom等对高剪跨比的双钢板组合验研究：Tae-整体墙和联肢墙进行了低周反复加载试验研究

［1］

剪力墙抗震性能的试验研究。鉴于试件数量有

限，为了深入研究双钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能，还需要进行大量的有限元参数分析。

本文基于纤维单元，利用OpenSEES软件建立双钢板混凝土组合剪力墙的有限元模型，通过已有试验来验证分析结果的可靠性。在此基础上，分析了轴压比、剪跨比、含钢率、边柱形式等因素对双钢

*国家自然科学基金项目（51178128）；广州市珠江科技新星专项（2011J2200023）。

1989年出生，男，硕士研究生。第一作者：童师敏，电子信箱：zyfychen@163．com收稿日期：2014－04－16

［6］

。

聂建国等对高轴压比下双钢板混凝土组合剪力墙的

［2－4］

。纪晓东等对带钢管抗震性能进行了试验研究

暗柱的双钢板混凝土组合剪力墙进行了抗震性能试

［5］

验研究。吴杰等进行了双钢板高强混凝土组合

IndustrialConstructionVol.45，No.3，2015

工业建筑2015年第45卷第3期161

板高强混凝土组合剪力墙抗震性能的影响。11.1

计算模型纤维截面

纤维截面是将构件截面划分成若干个纤维，对于不同位置的纤维可以定义不同的材料单轴本构关系。在变形过程中假定构件截面始终保持平截面，根据截面的弯曲变形和轴向变形求出每根纤维的应变，进而得到每根纤维的应力，最后计算出截面的刚度。

本文采用OpenSEES中基于位移的梁－柱纤维单元建立双钢板混凝土组合剪力墙的有限元模型，截面如图1所示。钢板纤维和钢筋纤维可以屈服，能够有效模拟屈服后的刚度滞回退化效应；混凝土纤维可以开裂，也可以滑移。在非线性分析中，截面的中性轴是不断变化、不断偏移的，取决于轴力和弯矩的比率、混凝土开裂的数量及滑移情况。通过定义等效剪切模量来综合考虑混凝土和钢材的共同作用

［8］

［7］

图2Fig．2

混凝土应力－应变关系Stress-strainrelationofconcrete

σc=

{

2εc/ε0－（εc/ε0）2］Kfc'［Kfc'［1－Zm（εc/ε0）］0.2Kfc'

εc＜ε0

ε0≤εc≤ε20εc＞ε20

（1）

其中

ε0=0.002K

ε20=0.004+0.9ρs（fyh/300）K=1+Zm=

ρsfyhfc'

0.5

3+0.29fc'

+0.75ρs

145fc'－1000

－0.002Ksh

。

式中：K为考虑约束所引起的混凝土强度增大系数；ε0为相应的峰值应变；ε20为极限压应变；Zm为应变软化段斜率；fc'为混凝土圆柱体抗压强度，取fc'=0.67fcu；fyh为钢板的屈服强度；ρs为体积含钢率；h'为由钢板约束的核心混凝土宽度；sh为钢板间距。

Menegotto-Pinto钢材本构关系采用基于Giuffre-的本构模型，即OpenSEES中的Steel02模型，如图3

所示。在双线性随动强化模型的基础上，通过材料参数设置改变双线性模量中弹塑性段分支点附近的弧

度变化，从而考虑一定范围内钢材的包辛格效应。

1—混凝土纤维；2—钢筋纤维；3—钢板纤维图1

Fig．1

双钢板混凝土组合剪力墙纤维截面

Fibersectionofdoubleskinhigh-strengthcompositeshearwall

纤维模型能很好地模拟构件的弯曲变形和轴向

变形，但不能模拟构件的剪切变形。本文采用OpenSEES提供的SectionAggregator［9］来实现对截面层次非线性剪切效应的模拟，它专门定义一种材料来模拟构件各截面的非线性剪切效应，根据该材料的本构关系可求出不同非线性状态下截面的剪切刚度，然后直接将此材料组合到纤维截面中，则组合截面的整体效应即为原纤维截面的弯曲轴向效应与剪切材料所定义的剪切效应的组合。1.2

材料本构关系

混凝土本构关系采用Scott等修正后的Kent-Park模型［10］，即OpenSEES中的Concrete02模型，如图2所示。

该模型通过混凝土受压骨架曲线的峰值应力、峰值应变以及软化段斜率来考虑横向约束构件的约束影响，且可以考虑混凝土的剩余强度，而混凝土受拉时的上升段和下降段均为直线，

以考虑混凝土的初始开裂。混凝土受压骨架曲线分为以下3段：162

图3Fig．3

钢材应力－应变关系Stress-strainrelationofsteel

1，3，6］采用以上方法对文献［中的3个双钢板

混凝土组合剪力墙试件进行数值模拟，忽略钢板局部屈曲的影响。试件的基本参数见表1，这3个试件代表了轴压比、剪跨比、混凝土强度、含钢率、边柱形式都不相同的双钢板混凝土组合剪力墙。计算得

工业建筑2015年第45卷第3期

到的滞回曲线与试验实测曲线的对比如图4所示，

计算结果与试验结果吻合良好。纤从图4中可见，

表1

Table1

试件编号DSCW1C

［1］

维单元适用于双钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能

分析。

试件参数

钢板厚度/mm

10

33.00

剪跨比3.851.002.00

轴压比0.00.50.21

fcu/MPa39.727.581.8

fy/MPa383306245

fu/MPa544435369

Parametersofspecimens

墙高/mm3700

6751850

矩形钢管截面尺寸/mm

—

120×100×3200×100×3

墙体截面尺寸/mm

1000×120

600×90600×100

CSW－5［3］B－HSCW1

［6］

a—试件DSCW1C；b—试件CSW－5；c—试件B－HSCW1

－－计算结果；———试验结果图4

Fig．4

计算滞回曲线与试验曲线的对比

Comparisonofcalculatedhystereticcurvesandexperimentalcurves

2抗震性能分析

2。对DSHCW1—DSHCW5进行水平反复加载分

析，以承载力、刚度、延性、耗能能力等为性能指标，分析轴压比、剪跨比、含钢率、边柱形式等因素对其抗震性能的影响。

利用上述方法建立双钢板高强混凝土组合剪力墙的计算模型DSHCW1—DSHCW5，模型参数见表

表2

Table2

试件编号DSHCW1DSHCW2DSHCW3DSHCW4DSHCW5

墙高/mm20002000150020002000

矩形钢管截面尺寸/mm

150×100×3

150×100×3150×100×3150×100×6150×150×3

计算模型参数

钢板厚度/mm

3

3363

含钢率/%6.66.66.613.26.6

剪跨比2.02.01.52.02.0

轴压比0.40.80.40.40.4

fcu/MPa9292929292

fy/MPa235235235235235

Parametersofcalculationmodels

墙体截面尺寸/mm

700×100

700×100700×100700×100700×100

采用能量法确定屈服荷载Py和屈服位移Δy，按峰值荷载下降到极限荷载的15%确定破坏荷载Pd=0.85Pu，对应的位移为极限位移Δu，延性系数μ=Δu/Δy，极限位移角θ为Δu与墙高的比值。若峰值荷载未能下降至85%的极限荷载，则取最后1次加载循环达到的最大水平位移为极限位移。2.1

轴压比

轴压比取设计值，按式（2）计算

n=

1.2N

fcA

［4］

计算结果见表3。从图5和表3中可见：轴压比对

剪力墙刚度和承载力影响较小。随着轴压比的增大，剪力墙的极限承载力略有提高，但达到峰值点后，承载力下降加快，极限位移减小了39%，剪力墙的变形能力显著降低。这是因为轴压比增大导致截面的受压区高度增大，截面曲率延性变小，剪力墙的变形能力下降。2.2剪跨比

：

（2）

图6给出了剪跨比λ为2和1.5，即DSHCW1和DSHCW3的滞回曲线和骨架曲线，计算结果见表3。从图6、表3中可见：随着剪跨比的减小，剪力墙的刚度和承载力提高，但极限位移下降了9%。剪跨比对双钢板高强混凝土组合剪力墙变形能力的影响没有轴压比显著。

163

式中：N为轴压力；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；A为剪力墙全截面面积。

图5给出了轴压比设计值分别为0.4和0.8，即DSHCW1和DSHCW2的滞回曲线和骨架曲线，

——童师敏，等基于纤维单元的双钢板高强混凝土组合剪力墙抗震性能分析—

a—滞回曲线；b—骨架曲线－－－DSHCW1；———DSHCW2

图5Fig．5

不同轴压比下剪力墙的滞回曲线和骨架曲线Hystereticandskeletoncurvesofshearwallswith

differentaxialforce

ratios

图6Fig．6

a—滞回曲线；b—骨架曲线－－－DSHCW1；———DSHCW3

不同剪跨比下剪力墙的滞回曲线和骨架曲线Hystereticandskeletoncurvesofshearwallswith

differentshearspanratios

表3

Table3

DSHCW1DSHCW2DSHCW3DSHCW4DSHCW5

59.259.374.781.762.0

610.7673.3752.7839.0651.3

模型计算结果

延性系数μ

2.971.772.843.203.11

极限位移角θ

1/541/881/441/511/49

Ｒesultsofcalculatedmodels

12.512.911.912.213.1

668.5733.1807.6913.2728.2

37.1722.833.839.040.8

计算模型初始刚度/（kN·mm－1）屈服荷载Py/kN屈服位移Δy/mm极限荷载Pu/kN极限位移Δu/mm

2.3含钢率

双钢板混凝土组合剪力墙主要通过外侧钢板加

来满足超高层建筑结强对内填混凝土的约束作用，

“高轴压、构对剪力墙高延性、薄墙体”的设计需求。

图7给出了含钢率分别为6.6%和13.2%，即DSHCW1和DSHCW4的滞回曲线和骨架曲线，计算结果见表3。由图7和表3可见：含钢率增大后，剪力墙滞回曲线更加饱满，初始刚度和承载力分别提高了38%和37%，延性更好。这是因为增大钢板厚度可加强外侧钢板对混凝土的约束作用，从而增强内填混凝土的抗压承载能力，同时也提高了剪力墙的变形能力。目前，大多数双钢板混凝土组合剪力墙试验中试件的含钢率是参照钢管混凝土柱取值，但剪力墙中钢板对混凝土的约束作用没有柱的好，因此还需进一步研究以确定其经济合理的含钢率取值范围。2.4

边柱截面形式

图8为边柱分别是暗柱和端柱，即DSHCW1和DSHCW5的滞回曲线和骨架曲线，计算结果见表3

。

图7Fig．7

a—滞回曲线；b—骨架曲线－－－DSHCW1；———DSHCW4

不同含钢率下DSHCW的滞回曲线和骨架曲线Hystereticandskeletoncurvesofshearwallswith

differentsteelratios

164

工业建筑2015年第45卷第3

期

从图8和表3中可见：边柱截面形式对双钢板高强混凝土组合剪力墙的初始刚度和承载力影响较小，但DSHCW5的承载力在达到峰值后下降较缓，延性系数提高了5%，说明端柱对墙肢的约束作用比暗柱更好

。

—■—DSHCW1；—●—DSHCW2；—▲—DSHCW3；

——DSHCW4；——DSHCW5图10

Fig．10

累积耗能－半周数曲线

Accumulatedenergyconsumptionversusnumberofhalfcycles

3

结语

1）试验表明，纤维单元模型能较好地模拟双钢板混凝土组合剪力墙的滞回性能，具有良好的精度以及求解速度快、数值稳定性好等特点，为这种组合剪力墙体系的地震反应分析提供了有效的手段。2）轴压比对双钢板高强混凝土组合剪力墙的刚度和承载力影响较小，但在高轴压比下，剪力墙的

a—滞回曲线；b—骨架曲线－－－DSHCW1；———DSHCW5

图8Fig．8

不同边柱截面下剪力墙的滞回曲线和骨架曲线Hystereticandskeletoncurvesofshearwallswith

differentsectionofedgecolumns

变形能力显著下降，耗能能力降低。剪跨比越小，剪力墙的初始刚度和承载力越高，但变形和耗能能力下降。含钢率增大一倍，剪力墙的承载力和变形能力都明显提高，耗能能力增大。带端柱组合剪力墙比带暗柱组合剪力墙具有更好的变形和耗能能力。

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2.5耗能能力

根据DSHCW1—DSHCW5的滞回曲线可以计

算其耗能半周数曲线和累积耗能半周数曲线，分别如图9和图10所示。由图9和图10可见：随着加载循环次数增加，双钢板高强混凝土组合剪力墙的耗能不断增加。但在高轴压比下，剪力墙破坏较早，耗能能力较差。随着剪跨比减小，剪力墙的耗能能力也有所下降。增大含钢率可以明显提高剪力墙的耗能能力。带端柱组合剪力墙比带暗柱组合剪力墙具有更好的耗能能力

。

—■—DSHCW1；—●—DSHCW2；—▲—DSHCW3；

——DSHCW4；——DSHCW5图9

Fig．9

耗能－半周数曲线

Energyconsumptionversusnumberofhalf

cycles

California，2007.

［10］KentDC，ParkＲ．FlexuralMemberswithConfinedConcrete

［J］．JournaloftheStructuralDivision，1971，97（7）：1969－1990．

——童师敏，等基于纤维单元的双钢板高强混凝土组合剪力墙抗震性能分析—

165