型钢混凝土剪力墙抗震性能研究.pdf
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1、第 3 9卷第 6期 2 0 1 3年 1 2月 四川建筑科学研究 S i e h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 61 型钢混凝土剪力墙抗震性能研究 白晓红 , 楚留声 ( 1 河南科技大学规划与建筑工程学院, 河南 洛阳4 7 1 0 0 3 ; 2 郑州大学土木工程学院, 河南 郑州4 5 0 0 0 2 ) 摘要: 型钢混凝土剪力墙是一种广泛应用于高层混合结构中的剪力墙形式。本文采用通用有限元程序 A D I N A, 以边缘构件含钢率为主要参数, 对不同剪跨比的几组剪力墙承载力和变形能力进行了分析 , 并与考虑了剪力墙混 凝土等级 、 轴压
2、比、 配筋率和边缘约束指标等参数影响的剪力墙性能进行 了比较研究。对混合结构中剪力墙抗震 性能的主要影响参数提出了设计建议。 关键词 : 混合结构; 抗震性能; 型钢混凝土剪力墙 中图分类号: T U 3 9 8 文献标志码: B 文章编号 : 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 61 6 1 0 4 0 引 言 在混合结构中, 钢筋 昆 凝土核心筒墙体的刚度 比外框架抗侧移刚度大得多 , 其刚度大小对小震作 用下弹性阶段设计的结构侧移起控制作用, 而在中 震和大震的作用下, 因墙体刚度退化较快, 其变形能 力和破坏状态对整个结构的内力重分布和破坏模式 更是起着决定性的作
3、用。目 前 , 型钢混凝土框架一 钢 筋混凝土筒体混合结构已在我国的高烈度区应用, 但结构的抗震性能研究不充分, 设计依据不充足, 实 践 中可操作性不强 4 。 。为 了提高剪力墙的抗震性 能, 高层混合结构中常采用型钢混凝土剪力墙形式。 本文采用有限元程序 A D I N A对不同剪跨 比的 型钢混凝土剪力墙抗震性能进行 了分析 , 并与考虑 了混凝土等级 、 轴压 比、 配筋率和边缘约束指标等不 同影响因素的剪力墙抗震性能进行了对比研究 。 1 模型参数设置 A D I N A使用分离式钢筋模型, 采用一种改进的 T R U S S单元模拟 。在 A D I N A生成求解文件时 , 钢
4、筋 的T R U S S 单元可由程序 自动生成。因此, 划分模型 单元时, 仅需对混凝土划分单元即可。钢筋的应力一 应变关系曲线选取理想弹塑性本构模型。混凝土峰 值应变取 0 0 0 2 , 极 限压 应变 取 0 0 4 。计 算 采 用 F u l l N e w t o n 方法, 使用 L in e S e a r c h e s 方法辅助收敛。 收稿 日期 : 2 0 1 1 1 0 - 1 4 作者简介: 白晓红( 1 9 7 6一) , 女, 河南洛阳人, 副教授, 博士, 主要从 事抗震加固及地基基础研究。 基金项目: 国家自然科学基金项目( 5 0 5 7 8 1 2 9
5、) ; 河南科技大学博士 基金项 目( 0 9 0 0 1 3 5 2 ) E m a rl: b x h 9 9 1 6 3 C O 轴向压力以均布面压力的方式一次性施加于剪力墙 顶 面 。 由于计算能否收敛以及收敛精度对加载步长的 大小比较敏感 , 经大量调试, 对每片墙仍采用三种位 移步长进行计算 , 取收敛较好的曲线或平均值作为 最终计算结果。同位移 加载方式相对应 , 选用位移 收敛准则 , 求解误差极 限设为 0 0 1 。 对文献 5 试验中边缘约束构件为矩形的5片 剪力墙进行了模拟分析。限于篇幅, 图 1 仅给出了 一 个构件的荷载一 位移曲线 引。此构件极限承载力 的试验值和
6、计算值分别为 2 2 1 k N和2 2 4 k N, 相对误 差 1 3 5 , 且图中显示模 拟效果较好 , 表 明采 用本 文 参数进行分析的适用性。 2 5 0 2 0 0 蚤 0 世1 0 0 醐 50 0 图 1 算例荷载一 位移 曲线 2型钢混凝土剪力墙分析 剪力墙截面尺寸见文献 6 。边缘约束构件 的 长度按文献 7 取为 4 5 0 m m。模型分析时按剪跨 比 A=1 、 2 、 3分为三组。 以剪力墙边缘构件含钢率来反映其对剪力墙承 载力和变形能力的影响。一般来讲, 含钢率太小时, 没有必要采用型钢混凝土构件, 同时, 根据 目 前我国 钢结构发展水平及型钢混凝土构件浇筑
7、的可能性来 1 6 2 四川建筑科学研究 第 3 9卷 看 , 型钢混凝土构件 的总含钢率不应大于 8 , 而较 常用的含钢率为 4 左右。剪力墙 中约束构 件尺寸 相对于一般柱截面要小 , 因此本文只研究 了边缘约 束构件的含钢率在常用含钢率附近变化时( 3 6 ) 对剪力墙的影响状况。 鉴于型钢混凝土剪力墙结构中, 型钢与混凝土 25 0 0 20 0 0 Z 5 00 禄 性l O O 0 醐 5 0 0 0 之间的连接面滑移 问题不是本文考虑 的主要 因素 , 本文在对型钢混凝 土剪力墙的分析 中 , 将边缘构件 中的型钢离散为钢筋进行处理, 模型轴压比为0 3 , 混凝土为 C 4
8、0 , 纵 向、 水 平 向分 布筋配筋 率分别 为 0 3 和 0 2 5 。图 2为边缘构件含钢率的变化对 荷载一 位移曲线影响情况。 0 5 l 0 1 5 2 0 0 1 0 20 3 O 4 0 5 0 顶点位移 mm 顶点位移 mm ( b ) 2 = 2 ( c ) = 3 图2 边缘构件含钢率对剪力墙荷载一 位移曲线的影响 从图 2可以看 出, 由于型钢混凝土剪力墙边缘 构件的含钢率比采用构造配筋边缘构件时的配筋率 大得多 , 三组剪力墙的承载力均有大幅度的提高 , 且 随着含钢率的逐渐增大稳步增长。在以“ 弯曲型” 破坏模式为主的高层混合结构的剪力墙中, 采用型 钢混凝土边缘
9、构件 ( 或增 加边缘构件纵 向配筋率 ) 对于提高其承载力是非常有利 的。并且 , 随着含钢 率的增加, 图2中各曲线呈现更加“ 丰满” 的趋势, 每组剪力墙的变形 能力也相应的增强 , 极限位移角 随含钢率的增加都有不同程度的提高 。由文献 6 可以看出, 含钢率的提高对极限位移角的增幅 的影响随着剪跨比的增高略呈下降趋势, 这种趋势 在对剪力墙其他影响参数的分析 中也存在。为方便 对 比, 本文对剪力墙 的混凝土等级、 配筋率 、 边缘约 束程度等参数影响也进行 了分析, 基本构件( 与型 钢混凝土剪力墙边缘约束构件为构造配筋率时相 同) 的边缘构件按构造配筋设 置, 轴压 比为 0 3
10、 , 混 凝土为 C 4 0 , 纵 向、 水 平 向分 布筋 的配筋 率分别 为 0 3 和 0 2 5 。分析每 个参数 的影 响时 , 仅 考虑 所分析参数的变化 , 其他参数同基本构件。 3 剪力墙抗震性能影响参数分析 对剪力墙抗震性能的其他影响参数也进行了类 似的分析, 限于篇幅, 本文仅给出剪跨比A= 3的各 组剪力墙 的荷载一 位移曲线 , 如图 3所示。 从图3 ( a ) 中可以看出, 加载初期各构件的荷载 f 立 移曲线基本重合, 此阶段剪力墙受轴压比的影响 不大。随着轴压比的增大, 三组剪力墙后期的承载 力都有不同程度的提高, 曲线在达到极限荷载以后, 图 3 轴压比对剪
11、力墙荷载一 位移曲线的影响 随着轴压比的增大, 剪力墙承载力下降的速率加快 , 剪力墙极限变形能力下降。因而在加载后期 , 随轴 压比的增大, 剪力墙承载力有较大的提高, 但增幅却 随轴压 比的增加呈渐缓趋势。例如轴压 比为 0 4时 的极限承载力相对于轴压比0 3时提高 1 2 , 比剪 力墙轴压比从 0 1 增至 0 2时承载力增幅 3 5 小 了将近 3 倍。由于混合结构通常应用于高层或超高 层建筑, 结构中剪力墙的轴压比较大, 因而, 利用轴 压比的增大来提高剪力墙承载力的空间是有限的。 另外 , 混合结构在地震作用下, 核心筒墙体较早的进 入弹塑性阶段, 且剪力墙较好的塑性变形阶段是
12、子 结构之间能够进行水平剪力重分布的条件, 而高轴 压比对于剪力墙的变形能力是不利的。从协同工作 的意义上来讲, 混合结构中对剪力墙变形能力的要 白晓红, 等 : 型钢混凝土剪力墙抗震性能研究 l 6 3 求要高于对承载能力的要求, 因此, 混合结构中轴压 比大小需要严格控制 。 由图 3 ( b ) 看出, 混凝土等级较高的剪力墙从加 载开始到达到极限承载力的整个过程中都表现出了 较好的承载能力 。因此 , 采用较高强度 的混凝土对 于提高墙体开裂荷载 、 屈服荷载等弹性 阶段的结构 性能是有利的。曲线进入下降段后, 混凝土等级高 的墙体强度下降较快, 混凝土等级相对较低的墙体 的下降段曲线
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