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来源：刘栋, 石永久, 余香林, 涂程亮. 单元式双钢板组合剪力墙抗侧性能影响因素分析[J]. 钢结构(中英文), 2020, 35(12): 43-49.
doi: 10.13206/j.gjgS20120701
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编者按
本期为中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会第17届(ISSF—2021)学术交流会暨教学研讨会优秀论文专辑。通过论文的参评申请、初审、3位专家的“双盲审”、《钢结构(中英文)》编辑部终审等系列方式,共评选出8篇优秀论文在本刊予以刊出。内容涉及钢结构工程的诸多领域,包括“钢结构稳定理论”“钢结构连接与节点”“钢结构抗震性能”“高性能钢材”“金属结构材料研究”等。这些论文反映了目前国内钢结构新材料、新体系的相关研究课题是当前的热点方向,高强钢、不锈钢、铝合金、复合钢材等新材料结构的研究与应用在我国进一步发展,钢结构抗震性能的研究日益广泛且深入。
专刊主编
班慧勇
清华大学 副教授、博士生导师
主要从事高性能钢材钢结构的教学与科研工作，重点研究双金属复合钢材钢结构、复合型高性能钢材钢结构和可拆卸钢结构。
主讲本科生专业核心课《钢结构（1）（英）》、本科生大类交叉课《钢结构原理与设计（英）》、研究生专业课《高性能钢材与钢结构》，获第五届全国高校青年教师教学竞赛工科组一等奖，被授予“北京高校青年教师创新教研工作室”。
先后主持国家自然科学基金委项目4项、国家重点研发计划项目子课题2项，获中国钢结构协会创新人才奖、中国钢结构协会科学技术奖二等奖，主编CECS标准《不锈钢复合钢材结构技术规程》（在编），发表论文曾入选“《工业建筑》期刊2019-2020年度高影响力论文榜单”、获“第29届全国结构工程学术会议优秀论文一等奖”等。担任中国钢结构协会特邀常务理事、结构稳定与疲劳分会秘书长、标准化管理委员会委员，中国建筑金属结构协会铝结构分会理事。
研究背景
双钢板组合剪力墙，是指在两块钢板中间填充混凝土，并通过抗剪连接件(如栓钉)将钢板与混凝土连接在一起，使二者能够协同工作，通过与边框构件连接，共同抵御外部荷载。目前国内外对各种形式的双钢板混凝土组合剪力墙进行了大量的研究工作。
为了弥补目前双钢板混凝土组合剪力墙制作和施工难度大、自动化程度低的缺点，本文提出单元式双钢板混凝土组合剪力墙，如图1所示。
图1 单元式双钢板混凝土组合剪力墙示意
图1所示的双钢板混凝土组合剪力墙是由上下边缘梁、左右框架柱、中间的墙单元以及这些构件的连接组成。整片墙体可分割成多个墙体单元，每个墙体单元上方的边缘梁与墙单元主要采用角钢利用螺栓连接，墙体下方的边缘梁与墙单元下方钢板也采用螺栓进行连接。由于单个墙体单元(包括两侧钢板和中间混凝土浇筑)在工厂预制，整个墙体在施工现场只采用螺栓进行组装，不受施工季节影响。因此单元式组合剪力墙具有以下独特优势：1)在预制阶段，钢板作为混凝土模板；在使用阶段，钢板与内部混凝土组合承受荷载。2)墙体单元的宽度可根据建筑要求、受力要求、施工运输、吊装要求进行调整。根据需要，墙体单元可以灵活组合成各种形状。3)墙体单元在工厂预制，在施工现场用螺栓进行全装配安装，施工方便快捷，质量容易保证。4)墙体单元全部栓接，便于拆装，墙体单元既可用于新建建筑，也便于加固既有建筑。5)实现建筑物生命周期结束后的可更换，既绿色环保，又节省成本。本文采用有限元数值方法分析了单元式双钢板混凝土组合剪力墙的抗侧性能。
研究内容
1 有限元模型建立
如图2所示，采用ABAQUS软件建立有限元模型。混凝土采用ABAQUS软件中的塑性损伤模型。相关文献研究表明，在建立组合剪力墙的有限元模型中，两侧钢板采用分层壳单元时，钢板可以采用理想弹塑性本构模型进行模拟。
图2 单元式双钢板混凝土组合剪力墙ABAQUS模型
钢板与混凝土的界面模型由法向的接触和切向的黏结滑移组成。法向采用“硬”接触，切向采用库仑摩擦模型，摩擦系数取0.6。钢板与钢板的界面模型由法向的接触和切向的黏结滑移组成。法向采用“硬”接触，切向采用库仑摩擦模型，摩擦系数取0.4。底梁底部完全固接，采用位移加载的形式。
在顶梁上部施加轴向荷载N,参考 GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》,有：
(1)
式中：n为轴压比；N为轴压力;fck为混凝土抗压强度标准值;Ac为混凝土截面面积;fy为钢板屈服强度;As为钢板截面面积，不考虑抗力和荷载分项系数。
根据式(1)得到计算模型轴压力N的计算式：
(2)
2 模型验证
本文选取相关文献中箱型双钢板混凝土组合剪力墙200K试件(钢板宽厚比b/t=200)抗剪试验结果进行有限元模型验证，得到对比结果如图3所示。
图3 本文计算和试验的荷载-位移曲线比较
在弹性阶段，由有限元模型计算得到的曲线刚度(945kN/mm)比试验加载曲线刚度(823kN/mm)稍大，这是因为试验骨架曲线有限元建模时未能充分考虑试验过程中现场构件安装误差，试件存在初始缺陷等。在弹塑性阶段，有限元模型计算得到的曲线的峰值荷载(1938.9kN)和试验加载曲线的(1937.6kN)相差很小，峰值荷载之后，二者曲线基本重合。试验与有限元计算结果吻合较好，对比说明采用的有限元模型建立方法能够有效模拟双钢板组合剪力墙的抗侧受力性能。
3 影响因素分析
本文建立了23个单元式双钢板剪力墙有限元模型。变化参数分别是单元数量、混凝土强度、钢材强度、轴压比和钢板厚度。所建立的墙体模型长度取1600mm，墙高取2000mm，墙体厚度取120mm。
其中，屈服荷载和屈服位移通过“通用屈服弯矩法”确定，极限荷载Pu取最大承载力Pmax下降15%后的值，如式(3)所示。极限荷载对应的位移为极限位移。
（3）
3.1墙体单元数量
在本文建立的有限元模型中，保证墙体总宽度不变，墙体单元数量num为1～4，因此，墙体单元的剪跨比也相应增大。混凝土抗压强度fcu,k均取30MPa，墙体轴压比均取0.3。墙体单元数量变化时的荷载-位移曲线如图4所示。
图4 墙体单元数量变化时的荷载-位移曲线
多个墙体单元组合的形式，便于建筑布局和调整侧向刚度，但同时降低了墙体的整体性，整个墙体抗侧刚度和承载力均有所下降。如图5所示，随着墙体单元数量的增多，墙体的初始抗侧刚度显著降低。墙体单元数量为2个时，初始抗侧刚度大致为单元数量1的墙体的70%；墙体单元数量为3时，墙体初始抗侧刚度下降一半，当墙体单元数量从3变化到4时，刚度大约折减50%，可见单元数量对抗侧刚度影响较大。
图5 初始刚度-墙体单元数量关系曲线、
如图6所示，随着单元数量的增大，墙极限承载力降低，当墙体单元数量从1变化到4时，极限承载力大致降低30%。
图6 水平承载力-墙体单元数量关系曲线
由表1可知：随着墙体单元数量的增多，墙体屈服荷载及峰值荷载均显著降低，墙体的承载能力逐渐降低；随着墙体单元数量的增多，墙体的极限位移逐渐增大，变形能力有所提高；墙体的延性系数越来越大，但增幅越来越小。因此，本文建议在满足施工环境的条件下，两个相邻框架柱之间的墙体单元数量不宜超过3。
表1 墙体单元数量的影响
注：Py为屈服荷载；Δy为屈服位移；Pmax为峰值荷载；Δmax为峰值位移；Δu为极限位移；η为延性系数，取η=Δu/Δy。
3.2混凝土强度
在建立的有限元模型中，混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k变化范围为30～80 MPa，墙体轴压比均取0.3，单元数量均为3。不同混凝土强度等级时的荷载-位移曲线如图7所示。
混凝土抗压强度对单元式双钢板混凝土组合剪力墙抗侧性能的影响与传统的中高剪跨比双钢板混凝土组合剪力墙基本相似。根据图7可以得到，随着混凝土强度的增大，墙体的屈服荷载及峰值荷载逐渐增大，承载能力逐渐提高，增幅逐渐减小。
图7 不同混凝土强度时的荷载-位移曲线
由图8可以得到，随着混凝土强度的提高，墙体的抗侧刚度略有提高，这是因为高强混凝土具有较大的弹性模量。
图8 初始刚度-混凝土抗压强度关系曲线
根据计算得到的力学指标见表2。可以得到:随着混凝土强度的增大，墙体的屈服位移基本一致，极限位移基本呈现减小的趋势，墙体的延性系数逐步减小，衰减幅度较小；墙体的变形能力逐渐降低，但减幅并不大。这表明在一定范围内，随着混凝土强度的增大，延性性能有所降低，影响程度较小。
表2 混凝土强度的影响
3.3钢板屈服强度
在建立的有限元模型中，钢板屈服强度的变化范围为235～500 MPa。不考虑材料强度分项系数，得到的荷载-位移曲线如图9所示，水平承载力-钢板屈服强度曲线如图10所示。
图9 不同钢板屈服强度下的荷载-位移曲线
图10 水平承载力-钢板屈服强度关系曲线
由图9可以得到，对于不同的钢板屈服强度，在模型加载的弹性阶段，各个模型的荷载-位移曲线基本重合，这表明单元式组合剪力墙的初始抗侧刚度基本不受钢板屈服强度的影响。根据图10和表3可以得到，随着钢板屈服强度的增加，墙体的屈服荷载和峰值荷载基本呈线性增大，承载能力有所增大。当钢板屈服强度从235 MPa 提高到500 MPa时，墙体的屈服荷载和峰值荷载逐渐增大，峰值承载力增大了约57.9%。
表3 钢板屈服强度的影响
分析钢板屈服强度对单元式双钢板混凝土组合剪力墙变形能力的影响，可以得到：随着钢板强度的增加，墙体的屈服位移及极限位移逐渐增加，墙体的延性系数也逐渐增加。分析图9得到的不同钢板屈服强度下模型的抗侧承载力-位移曲线可知，采用高强钢时，当荷载-位移曲线到达峰值荷载后，曲线下降会比较缓慢。
综上所述，提高钢板屈服强度可增加组合剪力墙的抗侧承载力和变形性能。
3.4轴压比
在本文建立的有限元模型中，轴压比n的变化范围为0.1～0.6，且每级增加0.1。计算得出的荷载-位移曲线如图11所示，初始刚度-轴压比曲线如图12所示，水平承载力与轴压比关系曲线如图13所示。
图11 不同轴压比下的荷载-位移曲线
图12 初始刚度-轴压比关系曲线
图13 水平承载力-轴压比关系曲线
由图11～图13可以得到:轴压比对初始抗侧刚度影响较小;对于水平承载力来说，当轴压比小于0.4时，屈服荷载及峰值荷载随着轴压比的增加而增加，在轴压比从0.4到0.6的范围内，屈服荷载及峰值荷载随着轴压比的增加而减小；在轴压比较小时，提高轴压比能够提高组合剪力墙的屈服荷载及峰值荷载。
根据表4中的计算结果，可以得到：随着轴压比的提高，墙体的极限位移逐渐减小，在轴压比0.1～0.3范围内，随着轴压比的增大，其延性系数逐渐降低，组合剪力墙的变形能力降低；在轴压比0.4～0.6范围内，随着轴压比的增大，其延性系数逐渐增大。
表4 轴压比的影响
单元式组合剪力墙由于构造的特殊性，可在整体框架施工完成后，再组装进梁柱框架体系内。在此情况下，单元式双钢板混凝土组合剪力墙在正常使用阶段，轴压比会比较小。这也能够使得单元式组合剪力墙在正常使用阶段可获得较好的变形性能和延性。
3.5钢板厚度
钢板厚度d的变化即组合剪力墙中含钢率的变化。取本文中的钢板厚度为2～6mm，计算得到的曲线如图14、图15所示。
图14 不同钢板厚度下的荷载-位移曲线
图15 初始刚度-钢板厚度关系曲线
由图14、图15可知，随着钢板厚度的增大，墙体的屈服荷载和峰值荷载逐渐增大，承载能力有所增大，组合剪力墙的抗侧刚度线性增大。
由表5可以得到，增大钢板厚度可提高单元式组合剪力墙的承载力，当钢板厚度从2mm增大至6mm时，水平承载力和刚度均有显著提高，水平承载力提高了97%，初始抗侧刚度提高了48%。模型的初始抗侧刚度为全截面弹性刚度，由钢板部分和混凝土部分两者共同贡献。
表5 钢板厚度的影响
由表5还可知，随着钢板厚度的增大，墙体的屈服位移及极限位移逐渐增加，墙体变形能力有所提高。随着钢板厚度的增大，墙体的延性系数逐渐增加，且增大幅值随着钢板厚度的增大而降低。即随着钢板厚度的增大，墙体的延性性能有所提高。
由上述分析可见，增大钢板屈服强度与增大钢板厚度是提高单元式双钢板混凝土组合剪力墙抗侧承载力和提高剪力墙延性的两种主要方式。建议在实际工程中，建造此种形式的组合剪力墙可采用高强度钢材，以发挥钢材优越性能，降低建造成本。
结 论
1)本文中创新性地提出了单元式双钢板混凝土组合剪力墙。通过ABAQUS软件建立有限元模型，分析了轴压比等五个参数对单元式双钢板混凝土组合剪力墙抗侧基本力学性能的影响。
2)在轴压比0.1～0.3范围内，随着轴压比的增大，水平承载力逐渐增大，单元式双钢板混凝土组合剪力墙延性系数逐渐降低，变形能力逐渐降低。建议使用本文推荐的单元式组合剪力墙的施工安装方式，使其在较低的轴压比下能够具有较高的承载能力、刚度和变形能力。
3)增大混凝土强度、钢板屈服强度、钢板厚度均能够提高承载力。但随着混凝土强度的增大，延性系数相应降低，而提升钢板屈服强度和钢板厚度均会提高其延性。
4)单元式双钢板组合剪力墙在水平荷载作用下的初始抗侧刚度由混凝土部分和钢板部分两者共同贡献。增大钢板厚度能够提高其抗侧刚度，混凝土强度对单元式组合剪力墙的抗侧刚度影响较小。
5)整体双钢板剪力墙分割的墙体单元数量越多，其初始刚度越小，承载力降低。建议在满足施工环境的条件下，两个相邻框架柱之间的墙体单元数量不宜超过3。
全文下载链接
1.http://gjg.ic-mag.com/cn/article/doi/10.13206/j.gjgS20120701（注册登录免费获取）
2.https://navi.cnki.net/knavi/JournalDetail?pcode=CJFD&pykm=GJIG
3.https://cstm.cnki.net/stmt/TitleBrowse/KnowledgeNet/GJIG202012007?db=STMJTEMP
作者简介
石永久
清华大学 教授 博士生导师
《钢结构（中英文）》编审委员会 委员
长期从事钢结构工程的科学研究和工程应用，致力于高性能钢结构基本理论与设计方法、建筑钢结构抗震性能研究与应用，发表学术论文200余篇，主编和参编19部国家、行业和地方标准，获国家和省部级科技进步奖和工程设计奖20余项。目前兼任中国钢结构协会常务理事，中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会理事长，中国工程建设标准化协会钢结构专业委员会副主任，英国结构工程师学会Fellow等职务。
刘 栋
清华大学土木工程系在读博士生，师从石永久教授。主要研究方向是钢-混凝土组合结构。作为主要参与者参与国家重点研发计划“高性能建筑组合结构体系研发及应用示范”课题（2017YFC0703401）。
-END-
融媒体编辑：张白雪
责任编编：刘春
关于期刊
中冶建筑研究总院有限公司和中国钢结构协会联合主办、《工业建筑》杂志社有限公司编辑出版的中文科技期刊《钢结构》Steel Construction，于1986年创刊，2019年为促进国际学术交流，并兼顾对内传播，满足国内外读者需要，经国家新闻出版署批准，期刊文种变更为中英文双语出版，同时更名为《钢结构（中英文）》Steel Construction（Chinese & English）/ISSN 2096-6865/CN 10-1609/TF，自2020年1月全面改版发行。
期刊报道方向包括：高性能钢材，空间钢结构，高层钢结构，预应力钢结构，钢-混凝土组合结构，轻型钢结构，住宅钢结构，桥梁钢结构，特种钢结构及装配式钢结构建筑等。今后将持续关注国际学术热点，深入思考未来发展方向，报导具有高学术水平和应用价值的科研成果。
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