建筑业是我国国民经济支柱产业之一。近十多年来建筑业总产值不断攀升,从 2007 年的 50018 亿元增长到 2019 年的 248445.7 亿元,增长接近 5 倍,2019 年建筑业产值约占我国当年 GDP 总量 25.07%。随着建筑业的持续增长,建筑业对国民经济的贡献程度也不断增加。多年来,建筑业在我国以惊人的速度发展,我国城市化的进程不断提速。

经历多年快速发展之后,我国建筑行业面临生产效率低、资源浪费严重、标准化程度不高、质量难以控制等问题。解决上述问题的有效途径便是走产业现代化的道路,而发展装配式建筑是实现产业现代化的重要途径。

薄壁钢管灌芯混凝土剪力墙结构作为一种新型剪力墙体系避免了装配式剪力墙抽芯困难的问题,同时用钢量增加不多,在提高生产效率的同时兼具十分良好的经济性。

目前对这种新型剪力墙的研究较少,对其具体的受力性能尚不明确。为此本文针对不同轴压比情况下的新型混凝土剪力墙滞回性能进行数值模拟,并展开对比研究。

1.1 模型参数

为了研究不同轴压比情况下薄壁钢管灌芯混凝土剪力墙受力性能,设计 5 个薄壁钢管灌芯混凝土剪力墙模型,各试件截面尺寸相同,均按照二级剪力墙设计。剪力墙的墙体高度为 2600 mm,截面尺寸为 1100 mm × 200 mm。

在 ABAQUS 数值模拟中,墙体混凝土均采用强度等级为 C30 的混凝土。试件按照整体建模,假定墙体上下两端与加载梁和基础梁固接。试件 SW1 ~SW5 的设计参数如表 1 所示。

表 1 试件参数

试件的几何尺寸及详细配筋见图 1,其在数值模拟中的整体模型和墙体内的配筋情况如图 2 所示,模型中考虑了顶部加载梁和底部基础梁。试件配筋符合 GB 50010—2020《混凝土结构设计规范》中对于剪力墙墙体配筋率的要求。在数值模拟中所采用的钢筋和钢管强度以及相应的本构关系情况分别见表 2 和表 3 所列。

图 1 试件尺寸及配筋示意 mm

a—SW1 ~ SW5; b—墙体配筋情况。

图 2 试件模型

表 2 钢筋及钢管的强度

表 3 钢材的本构关系情况

1.2 轴压比

根据 JGJ 138—2016《组合结构设计规范》中关于钢管混凝土剪力墙的规定,分别计算出试件顶部受到的竖向荷载。有限元模拟中对试件顶部施加的竖向压力为 N,则试件的轴压比 n 的计算式为:

n = N / ( f_cA_co+ f_cA_cc+ f_aA_a ) (1)

式中:f_c 为薄壁钢管剪力墙的内部和外部混凝土的轴心抗压强度设计值,MPa;f_a 为薄壁钢管屈服强度设计值,MPa;A_cc ,A_co 分别为薄壁钢管内部和外部混凝土截面面积,mm²;A_a 为薄壁钢管截面面积,mm²。

1.3 加载制度

首先在模型顶部施加竖向均布荷载,其值可通过式(1)计算确定,位移加载制度见表 4。试件顶部的水平位移由 1.3 mm 逐步加载至 26.0 mm,有效模拟出试件从弹性受力阶段到最终失效的全过程。

表 4 加载制度

2.1 加载过程

根据式(1)分别计算出试件 SW1 ~ SW5 在不同轴压比条件下对应的竖向均布压力。通过图 3 可以看出,5 个试件最终破坏形态均属于压弯作用下大偏压构件的受弯破坏,在往复荷载作用下,模型靠近底部位置均出现水平方向较大的变形,最终因丧失承载力而导致破坏。

图 3 模型失效时的应力云

通过有限元模拟试件的应力云图可以发现,在往复荷载作用下,位于试件两端的薄壁钢管率先出现屈服,随后靠近底部两侧的薄壁钢管外部的混凝土开始达到其抗拉强度,导致薄壁钢管外侧的混凝土逐步失效。在内侧的混凝土由于受到薄壁钢管的约束,使得试件可以继续承担荷载。薄壁钢管混凝土可以承受荷载反复作用,在模拟过程中薄壁钢管与管间混凝土没有出现剪切滑移的情况,而是保持一种稳定状态,使试件在受到竖向均布荷载作用的同时具备良好的塑性变形能力。

2.2 滞回曲线以及骨架曲线

根据剪力墙试件的往复加载数值模拟结果,分别得到试件 SW1 ~ SW5 顶部加载点的水平荷载-水平位移滞回曲线(图 4)。可以看出:5 个试件的曲线均呈梭形,且均无明显捏拢现象,呈现出典型的压弯破坏特征;试件 SW4 和 SW5 的滞回曲线比试件SW1-SW3 包络的面积更大,呈现的梭形曲线更为饱满,耗散的能量更多,表明适当增大轴压比可以提高剪力墙耗散地震作用的能力。

a—SW1; b—SW2; c—SW3; d—SW4; e—SW5。

图 4 试件的荷载-位移滞回曲线

试件 SW1 ~ SW5 的骨架曲线绘制于图 5。可以看出,5 个试件在整个加载过程中的骨架曲线的基本趋势大体一致, 试件 SW1 的正向峰值荷载为300.4 kN,反向峰值荷载为 306.0 kN;试件 SW2 的正向峰值荷载为 292.4 kN, 反向峰值荷载为294.7 kN;试件 SW3 的正向峰值荷载为 304.5 kN,反向峰值荷载为 307.9 kN;试件 SW4 的正向峰值荷载为 311.1 kN,反向峰值荷载为 318.0 kN;试件SW5 的正向峰值荷载为 302.7 kN,反向峰值荷载为309.7 kN。说明当轴压比由 0.3 增加到 0.45 时,薄壁钢管灌芯混凝土剪力墙的承载力逐渐增加;当轴压比继续增加时,承载力有所下降。

图 5 试件的骨架曲线

2.3 变形性能及延性

根据图 5 中 5 个试件的骨架曲线走势, 采用Park 法分别确定试件 SW1 ~ SW5 的屈服荷载以及屈服位移 Δ_y 。将图 5 中曲线在下降段中达到纵坐标最大值的 85%时所对应的横坐标取值作为 Δ_u ,位移延性比定义为 μ = Δ_u/ Δ_y ,位移角定义为 θ = Δ / H。

将 5 个试件的变形与延性计算结果列于表 5。数值模拟结果表明, 试件 SW1 的屈服位移为5.56 mm,极限位移为 19.59 mm,位移延性系数为3.52;试件 SW2 的屈服位移为 5.43 mm,极限位移为 23.92 mm,位移延性系数为 4.41;试件 SW3 的屈服位移为 5.64 mm,极限位移为 17.62 mm,位移延性系数为 3.12;试件 SW4 的屈服位移为 5.67 mm,极限位移为 17.21 mm,位移延性系数为 3.03;试件 SW5的屈服位移为 5.63 mm,极限位移为 16.93 mm,位移延性系数为 3.01。而通常认为结构的延性系数大于3 时,结构将发生延性破坏。通过对 5 个墙体的比较,表明薄壁钢管灌芯混凝土剪力墙在轴压比0.3 ~ 0.5 范围内都具有良好的变形性能和延性性能,均可以满足抗震设计的要求。从数据的变化趋势而言,轴压比进一步提高将会影响结构延性,建议在设计时,最大轴压比控制在 0.5 以下。

表 5 剪力墙变形与延性

结构在往复荷载作用下, 除了通过强度、延性来评价墙体的性能, 还可以通过滞回环的饱满程度来判定。通常采用累积能量耗散系数 η_E来衡量试件耗散能量的性能。累积能量耗散系数 η_E 计算简图如图 6 所示,其值按式(2)计算。可见, η_E 的值越大, 试件的耗能能力越强, 抵抗往复荷载作用的能力就越好, 其结果如表 6所示。

式中:E_i⁺和 E_i^–分别为墙体在每个受拉和受压的半循环耗散的能量;E_y 为墙体第一次达到屈曲位移 δ_y时耗散的能量。

表 6 给出了各个模型的累积耗能系数 η_E 值的情况,说明随着轴压比的增加,薄壁钢管混凝土剪力墙的耗能能力有一定提升,在轴压比 0.35 的情况下累积能量耗散系数最大。

图 6 能量耗散系数计算简图

表 6 累积能量耗能系数

通过薄壁钢管灌芯混凝土剪力墙模型在不同轴压比下的有限元分析,可以总结出以下几点:

1)尽管轴压比有所不同,薄壁钢管灌芯混凝土剪力墙模型在往复荷载作用下的破坏形态相似。

2)轴压比在 0.35 时较 0.3 的延性系数和累积能量耗散系数均有所提高;相比于轴压比 0.3 的试件,轴压比 0.4 ~ 0.5 的试件累积能量耗散系数更大,滞回曲线更为饱满, 反映其具有良好的耗能性能。

3)轴压比 0.3 ~ 0.5 的情况下,薄壁钢管灌芯混凝土剪力墙延性系数均超过 3,说明这种结构有很好的变形性能和延性性能,均可以满足抗震设计的要求。而轴压比超过 0.5 时,会影响结构延性。

来源：徐帅, 李妍. 轴压比对薄壁钢管灌芯混凝土剪力墙性能影响分析[J]. 钢结构(中英文), 2021, 36(12): 9-14.

doi:10.13206/j.gjgS21040602