王 麗,蘇明周,徐 明,宋安良

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西西安710055)

1 概 述

現(xiàn)代高層建筑中,連肢墻體系的誕生改善了剪力墻在震后破壞集中在其底部,難以修復(fù)、加固等狀況,但是在高烈度地震地區(qū),為了提高鋼筋混凝土連續(xù)梁的抗震性能,其設(shè)計(jì)和施工難度相應(yīng)增加。為了緩解這一問(wèn)題,研究人員采用型鋼連梁代替鋼筋混凝土連梁,形成混合連肢墻結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可將鋼連梁的兩端與埋入剪力墻中的型鋼邊緣構(gòu)件進(jìn)行連接,形成一種新的節(jié)點(diǎn)形式,即型鋼邊緣構(gòu)件-鋼連梁焊接型節(jié)點(diǎn)。已有的研究表明,在保證節(jié)點(diǎn)域強(qiáng)度的情況下,鋼連梁剪切屈服型連接表現(xiàn)出更優(yōu)良的耗能特性,不但滯回曲線更加飽滿穩(wěn)定,而且剛度和強(qiáng)度無(wú)明顯退化,是一種具有廣闊前景的連接構(gòu)造形式,值得深入研究和推廣[1-6]。

混合結(jié)構(gòu)中鋼與混凝土之間存在相互作用,其構(gòu)造措施復(fù)雜,同時(shí)節(jié)點(diǎn)是連接結(jié)構(gòu)構(gòu)件與內(nèi)力傳遞的關(guān)鍵部位,處于壓彎剪的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài),這對(duì)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提出了較高要求[7-8]。為了研究這種新型結(jié)構(gòu)體系節(jié)點(diǎn)的滯回性能,本文采用有限元軟件ABAQUS建立鋼連梁剪切屈服型混合連肢墻節(jié)點(diǎn)的非線性有限元模型,模擬其受力性能及破壞過(guò)程,并對(duì)鋼連梁在循環(huán)荷載作用下的滯回性能、核心區(qū)應(yīng)力分布進(jìn)行了分析,最后提出對(duì)設(shè)計(jì)和應(yīng)用這種新型連接形式具有重要意義的結(jié)論。

2 base有限元模型建立

2.1 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象由實(shí)際結(jié)構(gòu)某中間層上下反彎點(diǎn)之間的剪力墻墻體與半跨鋼連梁組成,并按1∶1足尺比例進(jìn)行設(shè)計(jì),有限元模型如圖1所示。其中剪力墻高 2 700 mm,寬 1 700 mm,墻厚 250 mm,混凝土采用C35,在剪力墻邊緣400 mm范圍內(nèi)設(shè)置暗柱,內(nèi)包焊接H形鋼柱,并設(shè)4根直徑為16 mm的HRB335級(jí)縱向鋼筋,水平箍筋為 Φ 10@150,節(jié)點(diǎn)區(qū)域采用Φ 10@90進(jìn)行加密,為節(jié)點(diǎn)提供足夠的約束。鋼梁伸入剪力墻后焊接在型鋼翼緣上,在鋼梁與鋼柱交接處焊水平鋼板加勁肋。構(gòu)件的截面尺寸和配筋見(jiàn)表1。

圖1 base節(jié)點(diǎn)有限元模型

表1 構(gòu)件的截面尺寸和配筋

2.2 有限元模型建立

有限元模型中,型鋼和混凝土均采用八結(jié)點(diǎn)線性六面體減縮單元(C3D8R),鋼筋采用兩結(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元(T3D2)。由于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)柱翼緣及上下加勁肋對(duì)中間混凝土形成很好的約束作用,剪力墻中不考慮型鋼及鋼筋和混凝土之間粘結(jié)滑移的影響,認(rèn)為它們共同工作[9-10],因此,鋼筋、型鋼邊緣構(gòu)件及伸入墻體部分的鋼連梁段均按照實(shí)際的空間關(guān)系采用內(nèi)置區(qū)域(Embed Region)直接嵌入到混凝土中。

2.3 邊界條件及荷載施加

加載方案是剪力墻保持垂直,為了防止在集中荷載作用下,加載處及墻體約束處的混凝土局部破碎,在墻體的底部和頂部均設(shè)置剛性墊梁,將底部墊梁的六個(gè)方向位移全部約束,用來(lái)模擬固接狀態(tài),頂部墊梁僅約束 x方向的線位移。荷載分為兩步施加,第一步在剪力墻頂部施加恒定豎向均布荷載,當(dāng)達(dá)到預(yù)定的軸壓系數(shù)0.1時(shí),保持荷載值不變;第二步進(jìn)行低周反復(fù)循環(huán)加載,在參考點(diǎn)RP-1的U2位移分量上施加豎向荷載,采用位移控制。邊界條件及加載情況如圖1(b)所示。

2.4 材料的本構(gòu)模型

2.4.1 鋼材的本構(gòu)模型

分析中鋼材采用雙線性各向同性強(qiáng)化模型,其牌號(hào)為Q235,泊松比取0.3,彈性階段彈性模量E=2.1×105MPa,塑性階段取切線模量E0=0.1E。采用Mises屈服準(zhǔn)則和相關(guān)的流動(dòng)法則。

2.4.2 混凝土的本構(gòu)模型

本文采用ABAQUS提供的塑性損傷本構(gòu)模型來(lái)模擬混凝土[11]。該模型引入損傷變量dt和dc衡量由于混凝土損傷而引起的剛度退化;模型還定義了“有效”拉伸和“有效”壓縮應(yīng)力,并以此來(lái)確定屈服面或破壞面的大小,其表達(dá)式分別為:

式中:損傷因子dt和dc的取值范圍從0至1,當(dāng)值為0時(shí)表示材料沒(méi)有損傷,值為1時(shí)表示材料完全破壞;E0為材料的初始彈性(無(wú)損)模量;εtpl和εcpl分別為拉伸和壓縮等效塑性應(yīng)變。

混凝土采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)推薦的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線[12],其受壓曲線方程如下:

式中:無(wú)量綱應(yīng)力 y=σ/fc,無(wú)量綱應(yīng)變x=ε/εc0,其中fc和εc0分別為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變。受拉曲線方程為:

式中:無(wú)量綱應(yīng)力y=σ/ft,無(wú)量綱應(yīng)變 x=ε/εt0,其中ft和εt0分別為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變。模型中各參數(shù)的確定參照文獻(xiàn)[13]。

3 節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能分析

3.1 節(jié)點(diǎn)的滯回性能分析

結(jié)構(gòu)在低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線能夠全面的反映結(jié)構(gòu)在地震作用下的各種性能,包括強(qiáng)度、剛度退化性能以及變形、能量吸收能力等,是分析結(jié)構(gòu)或構(gòu)件地震反應(yīng)的重要依據(jù)。一般認(rèn)為,滯回曲線越飽滿,結(jié)構(gòu)的耗能能力越強(qiáng),抗震性能越好。圖2為base節(jié)點(diǎn)模型在循環(huán)荷載作用下的荷載-位移(P-Δ)曲線,其中P、Δ分別為梁端豎向荷載和豎向位移。

圖2 滯回曲線

通過(guò)滯回曲線可以看出,在荷載較小時(shí),滯回曲線包圍的面積很小,力和位移呈線性關(guān)系,卸載后變形恢復(fù)到初始位置,試件處于彈性工作階段;隨著荷載的增加,滯回曲線偏離直線,進(jìn)入彈塑性階段,此時(shí),滯回環(huán)包圍的面積逐漸增大,但模型剛度有所下降;本文研究的節(jié)點(diǎn)形式承載力穩(wěn)定性好,具有良好的塑性變形能力和能量耗散特性。

3.2 承載力及延性影響因素分析

為了補(bǔ)充分析鋼連梁剪切屈服型混合連肢墻體系節(jié)點(diǎn)承載力及延性影響因素,本文將進(jìn)一步考察軸壓比和腹板高厚比的影響。

3.2.1 軸壓比的影響

為研究軸壓比對(duì)鋼連梁剪切屈服型混合連肢墻體系節(jié)點(diǎn)受力性能的影響,取base節(jié)點(diǎn)模型為研究對(duì)象,在其剪力墻頂部分別施加相當(dāng)于0.2、0.3、0.4和0.5倍軸壓比的分布荷載。計(jì)算得到各工況下的剪力墻主壓應(yīng)力云圖如圖3所示。從圖3中可以看出,軸壓比分別為0.2、0.3、0.4和 0.5時(shí),對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土最大主壓應(yīng)力分別達(dá)到32.32、32.24、32.19MPa和32.07 MPa,而整個(gè)墻肢的主壓應(yīng)力值分別為5、8、10 MPa和12 MPa左右。隨著軸壓比的增大,雖然整肢剪力墻的主壓應(yīng)力有所上升,但核心區(qū)混凝土主壓應(yīng)力基本沒(méi)有變化,甚至有輕微的下降。從上述分析可以得出,軸壓比在0.1～0.5之間對(duì)核心區(qū)受壓混凝土主壓應(yīng)力影響不大,所以在高軸壓比情況下,采用鋼連梁剪切屈服型的節(jié)點(diǎn)形式具有實(shí)用意義。

3.2.2 腹板高厚比的影響

為了研究腹板高厚比對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響,采用BH1、BH2、base及BH4四個(gè)節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行計(jì)算 ,對(duì)應(yīng)的鋼連梁截面尺寸信息見(jiàn)表2。

表2 鋼連梁截面尺寸

骨架曲線是連接每一級(jí)荷載第一次峰值點(diǎn)的連線,能夠反映構(gòu)件在加載過(guò)程中的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度以及極限變形等。通過(guò)計(jì)算得到不同高厚比情況下的骨架曲線,如圖4所示。從圖中可以看出,隨著鋼連梁腹板高厚比的增大,節(jié)點(diǎn)的屈服荷載、極限荷載都有不同程度的提高,其中BH4比BH1的屈服荷載提高了81%,極限荷載提高了64%,但是其骨架曲線的下降段逐漸變陡,表明后期的變形能力逐漸降低,即節(jié)點(diǎn)的延性在逐漸變小。

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用有限元軟件ABAQUS,對(duì)鋼連梁剪切屈服型混合連肢墻體系節(jié)點(diǎn)的受力性能進(jìn)行計(jì)算模擬以及變參分析,主要考慮了軸壓比和腹板高厚比兩個(gè)影響因素對(duì)鋼連梁及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受力性能的影響,分析結(jié)果表明:

(1)base模型滯回曲線飽滿,且剛度下降不大,表明當(dāng)鋼連梁按剪切屈服型設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)形式具有良好的耗能性能及延性,適合在高烈度高層建筑結(jié)構(gòu)中使用。

(2)軸壓比在0.1～0.5之間對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受壓混凝土主壓應(yīng)力的影響不大,表明鋼連梁剪切屈服型的節(jié)點(diǎn)形式在高軸壓比情況下具有實(shí)用意義。

圖3 剪力墻主壓應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖4 荷載-位移骨架曲線

(3)綜合考慮鋼連梁腹板高厚比對(duì)節(jié)點(diǎn)耗能性能及延性的影響規(guī)律,鋼連梁腹板的高厚比在45～65之間時(shí),性能最優(yōu)良。

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