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  管  宇

 （長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安710061）

[摘要]  為了研究鋼框架一抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在樓面荷載作用下的抗震性能，采用ABAQUS有限元軟件建立單層單跨殼一實體非線性有限元模型，考慮了混凝土與鋼材的塑性損傷以及加載的隨動強化準(zhǔn)則，在驗證有限元模型的基礎(chǔ)上，考察抗側(cè)力墻體沿豎向布置方式、抗側(cè)力墻體高寬比以及抗側(cè)力墻體布置位置對結(jié)構(gòu)體系抗震性能的影響。研究結(jié)果表明：在建造鋼框架一型鋼混凝土抗側(cè)力墻結(jié)構(gòu)房屋時，建議選用寬度為1 200mm的型鋼混凝土抗側(cè)力墻體，且沿豎向連續(xù)布置，并可根據(jù)門窗洞口的布置，靈活調(diào)整墻體的位置。

0  引言

 鋼框架．型鋼混凝土抗側(cè)力墻結(jié)構(gòu)作為一種雙重抗側(cè)力體系，在多遇地震下，抗側(cè)力墻體提供結(jié)構(gòu)處于彈性階段所需的剛度和承載力；在罕遇地震下，抗側(cè)力墻體作為第一道防線先于鋼框架破壞，可實現(xiàn)兩道設(shè)防。彭曉彤和方有珍指出半剛性節(jié)點鋼框架內(nèi)填鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)( PSRCW)具有多重側(cè)向力傳遞途徑，其側(cè)向極限承載力為設(shè)計承載力的3倍，表現(xiàn)出良好的延性和耗能能力，同時栓釘?shù)膹姸�、�?shù)量和位置都直接影響結(jié)構(gòu)的抗震性能；孫國華和Tong'41指出PSRCW試件梁柱采用四角鋼連接具有較高的承載力和較大的抗側(cè)移剛度，但耗能能力一般，建議控制內(nèi)填墻混凝土的強度等級并改善抗剪連接件的性能；孫國華將暗豎縫加入PSRCW結(jié)構(gòu)的內(nèi)填墻中，指出帶暗豎縫內(nèi)填墻對PSRCW結(jié)構(gòu)的初期剛度影響較小，峰值荷載過后承載力退化緩慢，結(jié)構(gòu)延性能得到顯著改善。趙偉將耳板裝置引入鋼框架內(nèi)填預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻和鋼框架內(nèi)填預(yù)制帶豎縫鋼筋混凝土剪力墻中，指出抗剪連接件在梁柱節(jié)點上下耳板的協(xié)同作用下未發(fā)生破壞，耳板連接裝置具有可靠的工作性能，可提高結(jié)構(gòu)的延性，建議混凝土強度等級為C20～C25。

 當(dāng)鋼框架一抗側(cè)力體系應(yīng)用于多高層建筑時，由于各層活荷載的累積作用，抗側(cè)力墻體將承受一定的豎向荷載，對鋼框架一型鋼混凝土抗側(cè)力墻裝配式結(jié)構(gòu)進行了試驗研究，但豎向力直接施加在框架柱上，并沒有考察累積活荷載對結(jié)構(gòu)體系的受力影響。為此，利用ABAQUS有限元軟件建立了試驗試件模型，在驗證模型正確性的基礎(chǔ)上，加入樓面荷載作用和下層墻體的約束作用，對模型進行變參數(shù)分析，考察抗側(cè)力墻體尺寸以及布置方式對結(jié)構(gòu)體系抗震性能的影響，為鋼框架一型鋼混凝土抗側(cè)力墻結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供合理的抗震建議和參考依據(jù)。

1  試驗概況

 試驗試件為單層單跨足尺試件，層高為2. 8m，跨度為4. 2m�？蚣芰哼x用HN350 x175 x7 xll，框架柱選用HW300×300×10×15，梁柱節(jié)點為剛性連接，鋼材為Q235B級�；炷�土抗側(cè)力墻體內(nèi)配置2根Il0型鋼，墻體截面尺寸為1 200mm×120mm，高度為2 180mm，混凝土強度等級為C30，測得混凝土立方體抗壓強度平均值為31.3MPa�？箓�(cè)力墻體頂部預(yù)埋鋼板通過摩擦型高強螺栓與框架梁連接。試驗的加載方式為先在框架柱頂施加500kN豎向荷載，后采用力和位移控制進行低周反復(fù)水平加載。試件尺寸、構(gòu)造詳圖以及加載裝置見圖1。

 在加載過程中試件依次經(jīng)歷了彈性階段，墻體開裂、破壞并逐步退出工作，以及鋼框架承擔(dān)主要荷載三個階段。試驗過程中抗側(cè)力墻體充當(dāng)?shù)谝坏婪谰�，在加載前期承擔(dān)主要的水平荷載，并隨著墻體內(nèi)置型鋼端焊縫受拉斷裂以及墻內(nèi)栓釘?shù)募羟衅茐模�在墻體頂部出現(xiàn)水平裂縫而逐步退出工作。水平荷載向鋼框架轉(zhuǎn)移，鋼框架成為結(jié)構(gòu)的第二道防線。試件最終的破壞形態(tài)為：框架梁、柱端局部屈曲并出現(xiàn)較大的塑性變形，抗側(cè)力墻體內(nèi)置型鋼與混凝土界面發(fā)生剪切黏結(jié)破壞。

2  有限元模型及正確性驗證

 采用ABAQUS軟件建立試驗試件有限元模型。鋼框架和內(nèi)置型鋼采用殼單元S4R進行模擬，抗側(cè)力墻體采用實體單元C3D8R進行模擬，鋼筋網(wǎng)架采用桁架單元T3 D2來模擬�；炷�土本構(gòu)模型采用損傷塑性模型來模擬混凝土在循環(huán)荷載作用下的力學(xué)行為，表現(xiàn)為混凝土材料因拉伸開裂和壓縮破碎而發(fā)生破壞，引入損傷因子來模擬混凝土的卸載剛度因損傷增加而降低的特性，并根據(jù)規(guī)范可換算得到混凝土的彈性模量為2. 57×l04MPa，泊松比為0.2。鋼材采用雙折線本構(gòu)模型，柱翼緣fy=271. SMPa，fu=442. 7MPa，彈性模量為2. 17×l05MPa;柱腹板fy=310. 2MPa，fu=461. 6MPa，彈性模量為2.26×l05 MPa；梁翼緣fy=298. lMPa,fu=460. 8MPa，彈性模量為2.14×105MPa;梁腹板fy=311. 9MPa，fu=464. SMPa，彈性模量為2. 20×l05 MPa; φ6.5鋼筋fy=390. 7MPa，fu= 522. lMPa，彈性模量為2.25×l05 MPa;8鋼筋fy=508. 9MPa，fu=656. SMPa，彈性模量為2.08×10s MPa。鋼材的泊松比為0.3，極限應(yīng)變近似取為鋼材拉伸試驗中量測得到的伸長率；鋼材采用vonMises屈服準(zhǔn)則、隨動強化準(zhǔn)則（模擬鋼材在往復(fù)荷載作用下的包辛格效應(yīng)）以及材料延性損傷準(zhǔn)則，并定義了鋼材的損傷演化路徑。

 由于試驗過程中，墻體頂部連接螺栓未見明顯破壞，可知摩擦型高強螺栓在試驗過程中滑移量較小，同時考慮模型簡化的原則，故不建立螺栓連接。鋼筋網(wǎng)架、型鋼及圓柱頭栓釘全部嵌入抗側(cè)力墻體內(nèi)，內(nèi)置型鋼、栓釘與上下鋼梁采用Tie約束來模擬焊縫連接，墻體與框架接觸面設(shè)置為摩擦接觸，其中法向作用采用硬接觸，切向作用采用庫倫摩擦，摩擦系數(shù)采用0.45。約束框架柱腳6個方向的自由度來模擬固端約束；在框架柱頂300mm×300mm范圍內(nèi)的節(jié)點豎向自由度上施加500kN豎向集中力來模擬豎向荷載。

 有限元計算得到試件的滯回曲線與試驗曲線對比見圖2，試件骨架曲線有限元結(jié)果與試驗曲線對比見圖3，骨架曲線特征點試驗與有限元結(jié)果對比見表1，試件破壞形態(tài)試驗與有限元結(jié)果對比見圖4。

 由圖2，3及表1可知：有限元模擬滯回曲線與試驗滯回曲線吻合較好，能準(zhǔn)確反映出結(jié)構(gòu)剛度和強度的變化規(guī)律，但混凝土的捏縮效應(yīng)并不明顯，原因為有限元建模時并未考慮內(nèi)置型鋼與鋼梁之間的焊縫連接以及內(nèi)置型鋼與墻體之間的粘結(jié)滑移作用，導(dǎo)致墻內(nèi)型鋼對墻體產(chǎn)生較大的約束作用，增大了墻體的剛度。有限元骨架曲線特征點結(jié)果與試驗結(jié)果誤差相對較小，模型可較好地模擬試驗試件的破壞特征，在極限狀態(tài)時，墻體角部單元的主壓應(yīng)力已超過混凝土的極限壓應(yīng)變，表明墻體角部混凝土被壓碎，墻體已經(jīng)破壞(圖4(a))；在破壞狀態(tài)時，框架梁端和柱端單元的von Mises應(yīng)力接近鋼材的抗拉強度，表明該單元進入屈服階段，塑性變形較大(圖4(b)，(c》。通過有限元結(jié)果和試驗結(jié)果對比可知有限元建模方法較為準(zhǔn)確。

3  影響因素分析

 在變參數(shù)分析中，改變有限元模型的邊界條件：在頂部框架梁上翼緣施加450kN的豎向荷載（約為9層樓面的累積豎向活荷載）來模擬樓（屋）面豎向荷載的作用；約束底部框架粱下翼緣y向的自由度來模擬下層墻體對上層墻體的約束作用，有限元模型見圖5。采用該有限元模型研究抗側(cè)力墻體沿豎向布置方式（模型L，J）、抗側(cè)力墻體高寬比以及抗側(cè)力墻體布置位置對結(jié)構(gòu)體系抗震性能的影響，不同模型的尺寸參數(shù)見表2，3。需說明的是文中的模型L，GK-2，PY-3為同一有限元模型，即Base模型，為分組方便僅命名不同。

3.1墻體沿豎向布置方式對結(jié)構(gòu)抗震性能影響

 通過改變有限元模型底部框架梁的邊界條件（是否約束y方向的自由度），模擬實際結(jié)構(gòu)中型鋼混凝土抗側(cè)力墻體沿豎向連續(xù)布置（約束y方向的自由度，模型L）與間斷布置（放松y方向的自由度，模型J）兩種情況下結(jié)構(gòu)的水平受力性能。有限元計算得出兩種情況下的滯回曲線對比見圖6，骨架曲線對比見圖7，耗能系數(shù)對比見表4，承載力特征參數(shù)對比見表5。

 由圖6和表4可知：1）兩種情況下的滯回曲線較飽滿，滯回環(huán)呈梭形特征，表現(xiàn)出良好的耗能能力；2）墻體沿豎向連續(xù)布置的結(jié)構(gòu)在屈服荷載處、峰值荷載處以及極限荷載處的能量耗散系數(shù)E與等效黏滯阻尼系數(shù)he均大于墻體沿豎向間斷布置的結(jié)構(gòu)，且加載后期的耗能系數(shù)沒有明顯降低，表現(xiàn)出優(yōu)異的耗能性能。

 由圖7和表5可知，抗側(cè)力墻體沿豎向連續(xù)布置的結(jié)構(gòu)具有較好的初始剛度和承載能力，且變形能力及延性優(yōu)異，故其抗震性能優(yōu)于墻體沿豎向間斷布置的結(jié)構(gòu)。相比于連續(xù)布置，間斷布置的結(jié)構(gòu)承載能力以及延性均有所降低，其中彈性剛度降低了約30. 6%，峰值荷載降低了約10. 6%，延性系數(shù)降低了約24. 4%。在建造多高層建筑時，建議選用抗側(cè)力墻體沿豎向連續(xù)布置的方案。

 通過對比墻體沿豎向間斷布置的有限元模型（考慮樓面荷載作用）與驗證中試驗的有限

元模型（未考慮樓面荷載作用）分析結(jié)果，可知需考慮樓面累積活荷載作用對結(jié)構(gòu)受力性能的影響。由圖2和圖6可知：考慮樓面荷載作用的結(jié)構(gòu)滯回曲線更加飽滿，滯回環(huán)面積較大，耗能性能較好。由表1和表5可知：考慮樓面荷載作用的結(jié)構(gòu)彈性剛度增加約16.3%，峰值荷載增加約45%，而延性系數(shù)降低了22%。綜上可知，考慮樓面累積活荷載的作用，可提高結(jié)構(gòu)的彈性剛度、承載能力以及耗能能力，但會降低延性性能。

3.2墻體高寬比對結(jié)構(gòu)抗震性能影響

 通過改變模型中抗側(cè)力墻體寬度這一參數(shù)，研究實際結(jié)構(gòu)中墻體在沿豎向連續(xù)布置時，墻體高寬比w對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。有限元計算得出四種情況滯回曲線對比見圖8，骨架曲線對比見圖9，耗能系數(shù)對比見表4，承載力特征參數(shù)對比見表5。

 由圖8和表4可知：1）四種情況下的滯回曲線較飽滿，滯回環(huán)呈梭形特征。在w=1. 21和w=0. 91兩種情況下，水平加載至峰值荷載后，表現(xiàn)出明顯的剛度和承載力衰退現(xiàn)象，且滯回環(huán)面積變小，原因為墻體和框架的剛度不匹配，使得兩者協(xié)調(diào)工作的性能降低。2）隨著w的增大，屈服荷載點、峰值荷載點的E和he呈升高趨勢，而極限荷載點的he在w=1. 82的情況下最大，約為0.4。由此可知，墻體寬度為1 200mm時，結(jié)構(gòu)體系的后期耗能性能最好。

 由圖9和表5可知：增大抗側(cè)力墻體的寬度可提高結(jié)構(gòu)的初始剛度、承載能力以及延性性能，但峰值位移和極限位移減小，結(jié)構(gòu)會過早地發(fā)生破壞，變形能力降低。隨著w的增大，結(jié)構(gòu)的彈性剛度依次增大約45.2%，61. 6%和37%；峰值荷載依次增大約15.9%，9.1%和5.1%；延性系數(shù)依次增大約19.1%，13. 6%和9.9%；而極限位移依次降低約5. 5%，25%和17. 3%。

 綜上可知，通過調(diào)整墻體寬度可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體剛度的漸變調(diào)幅。但隨著w的增大，墻體抗側(cè)剛度變大，鋼框架和墻體的剛度匹配程度降低，導(dǎo)致框架先于墻體破壞，不符合兩道設(shè)防的思想。為了保證結(jié)構(gòu)兼具較優(yōu)的變形能力和延性，而且抗側(cè)剛度和承載能力滿足工程實際要求，建議選用型鋼混凝土抗側(cè)力墻體寬度為1 200mm。

3.3抗側(cè)力墻體布置位置對結(jié)構(gòu)抗震性能影響

 通過改變模型中抗側(cè)力墻體的布置位置(圖10)，研究實際結(jié)構(gòu)中墻體在沿豎向連續(xù)布置時，墻體偏移距離e和框架梁跨度之比（即墻體偏移比）n對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

 有限元計算得出不同墻體偏移比情況下滯回曲線對比見圖11，骨架曲線對比見圖12，耗能系數(shù)對比見表4，承載力特征參數(shù)對比見表5。

 由圖11和表4可知，不同墻體偏移比情況下的滯回曲線飽滿程度相近，滯回環(huán)均呈梭形特征，結(jié)構(gòu)在屈服荷載處、峰值荷載處以及極限荷載處的E和he相差較小。墻體偏移布置會降低結(jié)構(gòu)整體的耗能能力，故墻體在居中布置時表現(xiàn)出最好的耗能性能。

 由圖12和表5可知：1）墻體由居中位置向兩側(cè)偏移時，表現(xiàn)出水平加載正反兩向的不對稱性，并隨著偏移比n增大，這種不對稱性更加明顯。當(dāng)墻體布置于靠近框架柱（n=0.3，-0.3）時，正反加載方向相比，彈性剛度差值約為11%，峰值荷載差值約為13%，而極限位移和延性系數(shù)相差較小。2）墻體居中布置時結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)于墻體偏移布置。相比n=0和n=-0.15兩種情況，偏移布置使結(jié)構(gòu)的彈性剛度、峰值荷載以及延性系數(shù)均降低約為

9. 5%，而極限位移降低約為14%。

 綜上可知，雖然墻體偏移布置會降低結(jié)構(gòu)的耗能能力、剛度以及承載能力，但降低的程度較小，對結(jié)構(gòu)整體的抗震性能影響不大，能夠滿足實際工程中抗側(cè)力墻體的布置位置因門窗洞口布置要求而相應(yīng)調(diào)整的需求，從而實現(xiàn)建筑和結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一。

4  結(jié)論

 型鋼混凝土抗側(cè)力墻結(jié)構(gòu)試件進行有限元模擬，在驗證模型正確性的基礎(chǔ)上，對抗側(cè)力墻體的尺寸及布置方式進行變參數(shù)分析，得出以下結(jié)論：

 (1)采用ABAQUS有限元軟件模擬鋼框架，型鋼混凝土抗側(cè)力墻結(jié)構(gòu)在往復(fù)荷載作用下的受力性能，有限元模型的破壞形態(tài)與試驗現(xiàn)象相近，有限元模型的承載力特征參數(shù)與試驗結(jié)果吻合較好，從而驗證了有限元建模的正確性，為深入研究結(jié)構(gòu)體系的抗震性能提供依據(jù)。

 (2)考慮樓面累積活荷載的作用，可提高結(jié)構(gòu)的彈性剛度、承載能力以及耗能能力，但會降低結(jié)構(gòu)的延性性能。

 (3)在建造多高層建筑時，為了保證結(jié)構(gòu)的抗震性能滿足工程實際要求，建議選用型鋼混凝土抗側(cè)力墻體寬度為1200mm，且沿豎向連續(xù)布置，并可根據(jù)門窗洞口的布置，靈活調(diào)整墻體的位置。