内置加劲肋L形双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能模拟研究.pdf
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1、第43卷 第4期 2023 年 8 月江西冶金Jiangxi MetallurgyVol.43,No.4Aug.2023 内置加劲肋L形双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能模拟研究朱志豪,汪小平,龚厚松,敖福泉(江西理工大学江西省环境岩土与工程灾害控制重点实验室,江西 赣州 341000)摘要:双钢板组合剪力墙延性好、承载力高、施工方便,广泛应用于高层建筑中。通过有限元软件ABAQUS对内置加劲肋L形双钢板组合剪力墙和普通L形双钢板组合剪力墙进行数值模拟,并进行对比分析,研究加劲肋厚度、间距及不同布置方式等参数对内置加劲肋L形双钢板剪力墙力学性能的影响。结果表明:与普通L形双钢板组合剪力墙相比,内
2、置加劲肋L形双钢板组合剪力墙具有更好的承载力、耗能能力、刚度及抗屈曲能力;减小加劲肋间距可提高墙体承载力、耗能能力及抗屈曲能力;改变加劲肋厚度对墙体抗震性能无显著影响;加劲肋水平布置的L形双钢板组合剪力墙具有更好的承载力和抗屈曲能力,加劲肋竖向布置的L形双钢板组合剪力墙具有更好的耗能能力。关键词:L形剪力墙;双钢板;加劲肋;有限元模拟中图分类号:TU398+.2 文献标志码:ASimulation research on the seismic behavior of an L-shaped double steel plate composite shear wall with intern
3、al stiffeners ZHU Zhihao,WANG Xiaoping,GONG Housong,AO Fuquan(Jiangxi Key Laboratory of Environmental Geotechnical and Engineering Disaster Control,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,Jiangxi,China)Abstract:Composite shear walls with double steel plates are widely used in hig
4、h-rise buildings because of their good ductility,high bearing capacity,convenient construction and other advantages.In this paper,the finite element software ABAQUS is used to conduct numerical simulations and comparative analyses of L-shaped double steel plate composite shear walls with built-in st
5、iffeners and ordinary L-shaped double steel plate composite shear walls.Moreover,the influence of parameters such as stiffener thickness,stiffener spacing,and different layouts of stiffeners on the mechanical properties of L-shaped double steel plate shear walls with built-in stiffeners is further s
6、tudied.The results show that the L-shaped double steel plate composite shear wall with built-in stiffeners has a better bearing capacity,energy dissipation capacity,stiffness and buckling resistance than that of the ordinary L-shaped double steel plate composite shear wall.A decrease in the spacing
7、of stiffeners can improve the bearing capacity,energy dissipation capacity and buckling resistance of the wall.The thickness of the stiffener has little effect on the seismic performance of the wall.The L-shaped double steel 收稿日期:2022-12-21作者简介:朱志豪(1998),硕士研究生,主要从事结构抗震等方面的研究。E-mail:通信作者:汪小平(1973),副教
8、授,硕士生导师,主要从事结构抗震等方面的研究。E-mail:文章编号:1006-2777(2023)04-0352-09 DOI:10.19864/ki.jxye.2023.04.012引文格式:朱志豪,汪小平,龚厚松,等.内置加劲肋L形双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能模拟研究J.江西冶金,2023,43(4):352-360.第 43 卷 第 4 期朱志豪,等:内置加劲肋L形双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能模拟研究plate composite shear wall with transverse stiffeners has better bearing capacity and buck
9、ling resistance,while the wall with vertical stiffeners has better energy dissipation capacity.Keywords:L-shaped shear wall;double steel plate;stiffening rib;finite element simulation双钢板组合剪力墙具有承载力强、延性高、构造简单等优点,可充分发挥出混凝土抗压能力强和钢材延性好的优势,在超高层结构建筑中具有广阔的应用前景1。近年来,国内外学者对双钢板剪力墙进行了大量研究,主要包括外包钢板与内填混凝土之间的连接2-7
10、、钢板屈曲理论分析8-9、双钢板组合剪力墙承载力计算10-12、不同结构形式和材料的双钢板剪力墙抗震分析13-17等。与一字形截面剪力墙相比,异形截面剪力墙受翼缘的影响,在滞回曲线和骨架曲线上呈不对称分布,抗震性能也存在较大差异。目前关于双钢板混凝土组合剪力墙的研究绝大多数都是针对一字形剪力墙,而对在实际工程中使用最多的L、T异形截面剪力墙的研究却较少。Eom等18通过低周往复试验研究了T形截面与矩形截面双钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能。结果表明,该墙体的主要破坏形式为墙体与周边梁的连接处的拉伸破坏和钢板的局部屈曲,通过加深周边构件对墙体的锚固可显著提升墙体的延性;李健等19提出一种端部加强的
11、L形截面双钢板组合剪力墙。结果表明,在端部增设H型钢可有效提高L形截面双钢板组合剪力墙的承载力,在无翼缘腹板处增设H型钢可显著提高墙体的承载力,L形截面双钢板组合剪力墙最适宜的轴压比0.4;张晓萌等20采用有限元软件ABAQUS 对 T 形双钢板组合剪力墙进行模拟分析,研究不同参数对墙体抗震性能的影响,基于平截面假定及理论分析,推导出适用于T形双钢板组合剪力墙的正截面压弯承载力计算公式,将计算结果与实验结果进行对比,验证该承载力公式适用于双钢板剪力墙的抗弯承载力计算。上述研究对双钢板-混凝土组合剪力墙的设计及工程应用具有一定的推动作用,为进一步研究异形截面双钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能,本研
12、究在L形截面双钢板组合剪力墙的基础上,采用有限元软件ABAQUS分别对内置加劲肋和普通L形截面双钢板组合剪力墙进行数值模拟,分析加劲肋厚度、间距及布置方式等参数对内置加劲肋L形双钢板剪力墙抗震性能的影响,为内置加劲肋L形双钢板剪力墙工程设计提供参考。1模型设计本研究设计了普通L形截面双钢板-混凝土组合剪力墙模型LDSW1和内置加劲肋L形截面双钢板-混凝土组合剪力墙模型LDSW2,模型参数如表1所列。LDSW1内只设置混凝土和外包钢板,LDSW2在LDSW1的基础上设置104的加劲肋及直径为6 mm的对拉拉杆,墙体使用的混凝土等级均为C40,所用钢材均为Q345,具体设计图如图1和图2所示。表1
13、模型参数模型LDSW1LDSW2墙体截面尺寸/mm3 0001 5009001601603 0001 500900160160加劲肋间距/mm150混凝土等级C40C40轴压比0.20.2注:“”表示无数值。9002 5005001 3002001 5005001605001-14003001-15204001 5001606001 500160(a)正视图(b)左视图(c)LDSW1模型(d)LDSW2模型对拉拉杆900加劲肋1-11-1400900单位:mm2 100图1模型正视图、左视图及剖面图353江西冶金2023 年 8 月2数值模型2.1本构模型模型采用有限元软件ABAQUS进行非
14、线性模拟。在实际工程应用中,绝大多数钢材只发生屈服,较少被破坏,因此,钢材本构模型采用双折线模型;由于模型所加荷载为循环往复荷载,故混凝土采用塑性损伤模型21。2.2单元类型根据部件的不同特征,钢板及加劲肋采用S4R壳单元模拟;内填混凝土采用八节点减缩积分的实体单元C3D8R模拟;栓钉及拉杆采用两节点线性三维桁架truss单元T3D2模拟。2.3接触类型钢板与混凝土之间采用面面接触,切向摩擦系数选为 0.619,法向为硬接触。钢板与加劲肋、栓钉、拉杆与钢板均采用绑定约束。钢筋、栓钉、拉杆及加劲肋使用embed方式嵌入混凝土内部。2.4边界条件与荷载剪力墙在基础梁底部设为固定约束,在盖板顶部施加
15、轴向恒定荷载。在墙体顶面建立名义参考点与顶部表面耦合,以便在参考点对墙体施加轴向与水平荷载。轴压比计算公式如式(1)所列。n=1.25NfcAc1.40+fyAs1.11(1)式(1)中:n为设计的轴压比的数值;N为施加的轴向荷载的数值,单位kN;fc、fy分别为混凝土轴心抗压强度和钢材的屈服强度的数值,单位kPa;Ac、As分别为混凝土截面面积和钢材钢板截面面积的数值,单位m2。侧向施加按位移控制的低周往复荷载,加载制度如图3所示。当加载位移角(结构水平位移与纵向高度的比值)为1/1 000、1/500时,每级荷载循环1次,当位移角为 1/200、1/150、1/100、1/75、1/50、
16、1/30时,每级荷载循环2次。2.5网格划分采用有限元软件ABAQUS将试件划分为规则的网格,其中,实体部件划分成六面体网格,壳单元划分成四边形单元。由于钢板与混凝土采用面面接触时,混凝土为主面,钢板为从面,为使计算结果收敛,钢板的网格单元比混凝土网格密。网格划分模型如图4所示。3数值分析3.1LDSW1、LDSW2模型抗震性能对比分析将内置加劲肋L形双钢板组合剪力墙与普通L形双钢板组合剪力墙进行数值模拟,利用模拟结果分析两种模型的抗震性能。加劲肋对拉栓钉钢板内填混凝土图2LDSW2模型内部构造100500-50-100-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80时间/s位移/m
17、m 图3加载制度图4网格划分模型354第 43 卷 第 4 期朱志豪,等:内置加劲肋L形双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能模拟研究3.1.1承载能力两种模型施加的极限荷载情况及骨架曲线对比见表2和图5,二者的骨架曲线变化趋势基本一致,均有明显的弹性阶段和塑性阶段。当加载位移小于15 mm时,两种模型的水平承载力基本相同,均处于弹性阶段,此时荷载较小,主要由钢板和混凝土承载;当加载位移大于15 mm时,两种模型开始屈服,LDSW2 构件的水平承载能力明显高于LDSW1;当加载位移为 100 mm 时,与 LDSW1 相比,正向水平位移荷载下LDSW2构件的极限承载力提高了26.9%,反向水平位移荷
18、载提高了24.1%。分析认为,在加载后期,由于加劲肋的作用,钢板和混凝土能更好地发挥作用。说明在普通L形双钢板组合剪力墙上布置加劲肋可显著提升墙体的水平承载力。3.1.2滞回曲线及耗能能力滞回曲线是结构构件遭受循环荷载时变形能力和耗能能力的综合反映。两种模型滞回曲线和耗能能量曲线如图 6 所示,二者的累计耗能能量均随着加载位移的增加而增大。当加载位移小于 40 mm时,两种模型的耗能能力基本相同;当加载位移大于40 mm时,LDSW2的耗能能力增长速率 大 于 LDSW1;当 加 载 位 移 为 100 mm 时,与LDSW1 相比,LDSW2 的累计耗能能力增长了13.07%。由此可见,在普
19、通L形双钢板组合剪力墙中布置加劲肋可显著提高墙体的耗能能力。3.1.3刚度退化图 7 所示为两模型剪力墙的刚度退化曲线。刚度(K)为剪力墙滞回曲线中水平承载力与顶点位移的比值。随着加载位移的增大,两种模型的刚度逐渐减小,LDSW1的初始刚度为125.9 kN/mm,LDSW2 的初始刚度为 149.2 kN/mm,LDSW2 比LDSW1 提高了 18.5%。当加载位移为 320 mm时,LDSW1 和 LDSW2 的刚度退化速率较快,分别为 4.32 kN/mm 和 5.17 kN/mm;当加载位移为40 mm时,刚度退化曲线开始趋于平缓,LDSW1和LDSW2 的刚度退化速率分别为 0.4
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