□□ 武 豪 (山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程系，山西 太原 030002)

引言

豎向荷載下通常采用加厚RC剪力墻墻體減小軸壓比，以使得其滿足規(guī)范要求。然而加厚墻體不僅占用建筑面積、破壞建筑外觀，而且同等條件下加大了結(jié)構(gòu)重力與地震力。相對(duì)理想的改進(jìn)方式是選用鋼板剪力墻，鋼板剪力墻自重輕且便于加工，可將鋼材的強(qiáng)度、韌性及抗震耗能優(yōu)勢(shì)較好地發(fā)揮出來，但鋼板剪力墻的構(gòu)件樣式還有待改進(jìn)，抗火能力的提升與施工技術(shù)的完善同樣需要更多的工程實(shí)踐來進(jìn)一步完善。

鋼板-混凝土組合剪力墻是基于以上兩類剪力墻發(fā)展而來的，兼具兩者的優(yōu)勢(shì)，施工難度低(如雙鋼板可兼做混凝土澆筑時(shí)的模板)、建筑空間占用較少、材料循環(huán)利用率高，更加符合當(dāng)代超高層建筑的產(chǎn)業(yè)需求。單鋼板組合剪力墻是其中的一種重要類型，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

(1)RC板相較純鋼板剛度較大，更可對(duì)中間鋼板起到平面外支撐的作用，防止鋼板出現(xiàn)失穩(wěn)的屈曲破壞，而且混凝土耐火能力遠(yuǎn)優(yōu)于鋼材，能夠作為高溫條件下內(nèi)嵌鋼材的保護(hù)層，提升試件整體的耐火性能[1]。

(2)中心鋼板可通過焊接等方式與周邊混凝土框架或鋼框架梁、柱連接，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工難度低且連接強(qiáng)度更高。

郭全全等[2]分別在無軸壓力與軸壓比比較小(<0.2)的情況下，考慮有效應(yīng)力系數(shù)并運(yùn)用交叉斜桿模型擬合出了SC剪力墻的斜截面計(jì)算公式，提出拉桿與壓桿相互垂直，與日本設(shè)計(jì)指南中的公式比較后結(jié)果較好。范重等[3-4]對(duì)SPCW的拉彎性能及軸壓比影響進(jìn)行了探究，運(yùn)用Marc軟件模擬某項(xiàng)目中的墻體構(gòu)造，定義了割線剛度，探究其在往復(fù)荷載下軸向拉、壓比對(duì)試件的影響，并運(yùn)用纖維模型軟件Xtract得出結(jié)果偏于安全。

針對(duì)試驗(yàn)研究中試件個(gè)數(shù)與量測(cè)手段局限性較大，且模擬中對(duì)各構(gòu)件抗剪比例研究較少的現(xiàn)狀，本文運(yùn)用ABAQUS對(duì)16組單鋼板-混凝土組合剪力墻進(jìn)行單向位移控制的剪力加載，在驗(yàn)證建模方式可靠的基礎(chǔ)上，以剪跨比與鋼板板厚作為變量參數(shù)，比較各試件的抗剪能力以及各構(gòu)件的抗剪貢獻(xiàn)差異。

1 FEM模型的建立

試件建模中，混凝土的材性采用“損傷塑性”定義，并用損傷因子模擬隨著加載進(jìn)行混凝土剛度退化甚至退出工作的準(zhǔn)脆性。選用Saenz本構(gòu)模型，并在塑性參數(shù)中用膨脹角表征材料的剪脹性[5]。

試件中的全部鋼材均采用符合ABAQUS中的“塑性材料”定義要求，泊松比為0.3的各向同性材料。鋼板與端部型鋼采用二折線模型，認(rèn)為屈服后鋼材應(yīng)力維持不變。鋼筋與栓釘采用兩斜線模型，認(rèn)為在彈性階段之后仍具有較大強(qiáng)化作用[6]。

本文模型在“Interaction”模塊中設(shè)置的接觸對(duì)與相互關(guān)系有：

(1)鋼筋與混凝土整體性較好，因而選用“內(nèi)置區(qū)域”，認(rèn)為是沒有相互滑移分離的整體。

(2)端部型鋼與中部鋼板、中部鋼板與栓釘之間選用“捆綁連接”，認(rèn)為施工過程中焊縫強(qiáng)度不低于鋼材本身強(qiáng)度，即不會(huì)在焊縫處出現(xiàn)破壞，更不會(huì)在接觸面上隨著試驗(yàn)進(jìn)行而發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)。

(3)通過設(shè)置切削面，對(duì)混凝土塊體進(jìn)行挖洞，以建立混凝土與栓釘表面之前的接觸對(duì)，通過設(shè)定法向的“硬”接觸與切向的“罰”函數(shù)摩擦受力特性分別定義該部分接觸特性，模擬混凝土孔壁與鋼筋栓釘不會(huì)發(fā)生材質(zhì)相互穿入，但有可能表面相互滑動(dòng)的現(xiàn)象。

在驗(yàn)證建模方法合理后[7-8]，對(duì)原試驗(yàn)中的試件進(jìn)行簡(jiǎn)化，將不必要的構(gòu)件去除，只取單肢剪力墻體與兩側(cè)端部型鋼進(jìn)行縮尺模型分析。組合剪力墻選取剪跨比與鋼板板厚作為變量參數(shù)，橫截面為800 mm×100 mm，通過改變高度，調(diào)整剪跨比為0.50、0.75、1.00以及1.25共4個(gè)等級(jí)；鋼板板厚則選取4 mm、5 mm、6 mm以及8 mm共4個(gè)等級(jí)。端部型鋼選用100 mm×100 mm×20 mm×20 mm的焊接工字鋼，與內(nèi)嵌鋼板焊接為整體?；炷吝x用C30強(qiáng)度等級(jí)；端部型鋼與鋼板均選用Q235牌號(hào)的鋼材；分布鋼筋選用HPB300熱軋鋼筋，布置排列為雙向Φ8@100；栓釘采用截?cái)酁?5 mm的HPB300鋼筋，布置排列也為雙向Φ8@100，試件參數(shù)見表1。將剪力墻底端設(shè)為固定端，在頂部施加位移控制的水平剪力。為均勻化頂部的剪力分布，增設(shè)剛體受荷部件，調(diào)整其材性中的彈性模量為無窮大，對(duì)試件整體的位移與反力等觀測(cè)結(jié)果不會(huì)造成影響。剪力墻的構(gòu)件設(shè)計(jì)及剖面配鋼如圖1所示。

圖1 部分試件幾何尺寸與配鋼圖

表1 試驗(yàn)主要參數(shù)

2 各構(gòu)件抗剪比例分析

為探究各部分構(gòu)件對(duì)墻體整體的抗剪比例，從模型底部的固定端用“節(jié)點(diǎn)集”分別提出鋼筋混凝土部分、鋼板部分以及端部型鋼部分各個(gè)節(jié)點(diǎn)的反力，在用sum函數(shù)求和后與試件總反力繪制在圖2中(只繪制λ為0.5以及1.0的8個(gè)試件)?？傻贸?，不同構(gòu)件隨著加載進(jìn)行呈現(xiàn)出不同的發(fā)展規(guī)律。在規(guī)范規(guī)定的抗剪承載力計(jì)算公式中，混凝土與分布鋼筋當(dāng)做整體部分計(jì)算，這部分在受載初期的彈性階段承擔(dān)剪力較多，對(duì)于小剪跨比試件，直至峰值反力前均作為主要反力承擔(dān)構(gòu)件。由于本構(gòu)關(guān)系與損傷因子的定義，混凝土的應(yīng)變隨著位移荷載的增大而增加，應(yīng)力也隨之降低，表現(xiàn)為分擔(dān)的抗剪比例逐漸減少。綜合16組試件發(fā)現(xiàn)，所有試件的鋼筋混凝土部分均在受載末期反力最小，這與實(shí)體試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)加載后期斜壓桿帶混凝土塊體的開裂及碎落事實(shí)相符。

由圖2(a)、(b)、(e)、(f)可看出，鋼板板厚為4 mm或5 mm時(shí)，在受載初期鋼板分擔(dān)剪力較少，表明此階段主要由鋼筋混凝土和端部型鋼承擔(dān)試件整體的反力；隨著混凝土逐漸退出工作，由于鋼板材性定義中屈服平臺(tái)較長(zhǎng)，且混凝土與分布鋼筋可防止其平面外屈曲，因此得以維持較高的承載力。

圖2 部分構(gòu)件的抗剪貢獻(xiàn)對(duì)比圖

為研究試件抗剪能力，此次試驗(yàn)采用“強(qiáng)彎弱剪”的設(shè)計(jì)原則，選用剛度較大的端部型鋼構(gòu)件以增強(qiáng)抗彎能力。由圖2(i)可知，鋼板中與混凝土斜壓桿帶相垂直的單向“斜拉桿”明顯，說明有效防止了彎曲破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)。端部型鋼構(gòu)件在不同編號(hào)試件中反力的變化規(guī)律都與鋼板相似。小剪跨比下，不同試件中端部型鋼在加載后期抗剪比例均為最大；剪跨比增大后，鋼板分擔(dān)的抗剪比例增多甚至超過工字鋼，表明在大剪跨比下增加鋼板板厚可以更有效地增強(qiáng)試件的抗剪能力。

在16組試件的反力-位移圖線中峰值剪力以及最終剪力處，計(jì)算各構(gòu)件的抗剪比例，見表2。由表2可得，當(dāng)剪跨比一定時(shí)，隨著鋼板板厚的增大，鋼筋混凝土部分的抗剪比例降低，鋼板部分抗剪比例穩(wěn)定提高，端部型鋼抗剪比例有所減小。

表2 不同構(gòu)件抗剪貢獻(xiàn)對(duì)比(總剪力為100%，鋼板厚度單位為mm) %

鋼板板厚一定時(shí)，隨著剪跨比增大，鋼筋混凝土部分在峰值剪力處的抗剪比例降低，鋼板部分抗剪比例逐漸提高，端部型鋼變化不明顯；而在加載后期，剪跨比較大的試件中除了端部型鋼的抗剪比例逐漸減少，其余部分的抗剪比例均有所增大。

綜合16組試件可知，在試件位移較大時(shí)均由鋼板和端部型鋼作為主要抗剪部分，隨著鋼板板厚和剪跨比增大，鋼板逐漸成為墻體試件反力的主要提供構(gòu)件。表明在工程運(yùn)用中，相較于其他方式，增加鋼板板厚能夠更為有效地提高組合剪力墻的抗剪承載能力。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用有限元分析方法比較了小剪跨比下的16組試件隨加載進(jìn)行的抗剪比例變化。通過比較加載過程中各構(gòu)件占組合剪力墻整體的抗剪比例得出結(jié)論如下：

3.1 當(dāng)剪跨比增大時(shí)，增加鋼板板厚是提高組合剪力墻抗剪能力的有效方式。

3.2 剪跨比相同時(shí)，隨著鋼板板厚增大，鋼板的抗剪比例逐漸多于端部型鋼。

3.3 鋼板板厚相同時(shí)，隨著剪跨比提高，最大反力處鋼筋混凝土部分所分擔(dān)的抗剪比例有所降低，但在加載后期略微提高；鋼板逐漸成為主要抗剪構(gòu)件；端部型鋼構(gòu)件的抗剪比例在加載后期逐漸減小。