王海军， 吕丛丛， 魏 华
(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)
摘 要：为了分析钢板耗能键的厚度、布置间距和跨高比对钢管混凝土剪力墙的影响，通过采用ABAQUS有限元分析软件，在低周往复荷载下，建立与试验对应的有限元模型.对不同参数试件进行了数值模拟分析，得出了不同参数的应力云图及骨架曲线.结果表明，钢管混凝土剪力墙的承载力和刚度与钢板耗能键的厚度、布置数量成正比，与跨高比成反比；该组合结构的延性随钢板耗能键厚度的增加、布置数量的增多而减小，随跨高比的增大而提高，为工程实践的参数设计提供了参考.
关 键 词：钢板耗能键； 钢管混凝土剪力墙； 承载力； 骨架曲线； 低周往复加载； 数值模拟； 极限位移； 应力云图
超高层建筑结构中的剪力墙需要承担的竖向荷载和水平荷载越来越大，传统普通的钢筋混凝土剪力墙设计思想是在保证剪力墙的延性的前提下增加剪力墙的厚度，但过厚的剪力墙的施工比较复杂、限制空间，且导致自重增加，地震作用增加.普通的钢筋混凝土剪力墙难以满足这些要求，因此，对剪力墙结构形式的优化及改进是新时代建筑结构的关键问题.钢
混凝土组合剪力墙可以较好地实现目标的优化[1]，其综合了钢材和混凝土两种材料的优点，相辅相成，发挥组合优势，因此对高性能钢混凝土组合剪力墙的研究越来越受到工程界的关注.韩林海研究了钢管混凝土边柱剪力墙的抗震性能；聂建国研究了钢混凝土组合剪力墙的抗震性能[2]；罗志国通过弹性静力分析、弹塑性有限元分析和试验3个方面，对矩形钢管混凝土端柱混凝土组合剪力墙的力学性能进行了研究[3]；魏华在钢管混凝土组合结构方面进行了力学性能的试验研究[4-5]；王海军、孔祥宇利用格构式钢管混凝土，探究其在风力机塔架上的应用，对其力学性能、经济性和施工性下降的问题进行了探讨[6].本文研究的是带钢板耗能键的钢管混凝土剪力墙，该组合剪力墙的骨架结构部分由钢管混凝土柱和钢板耗能键组成.在超高层建筑的钢混凝土组合结构的应用中，其可以作为骨架部分，发挥优越的抗震性能.
本文利用有限元软件ABAQUS，在验证试验典型模型的基础上，分析了钢板耗能键的厚度、布置与间距、跨高比三个因素的影响，为工程实践的参数设计提供了参考.
1.1 模拟构件概况
有限元模型中的部件尺寸见文献[7]中试件CFW-2，方钢管混凝土柱的尺寸为160 mm×160 mm×5 mm，钢板厚度为5 mm，试件所用混凝土均采用C40，钢管和钢板均采用Q235钢材，钢筋采用二级钢HRB335，材料强度均采用设计值.
1.2 材料本构关系
钢管混凝土柱中的核心混凝土采用弹塑性损伤模型，因其混凝土处在外围钢管的约束下，受压本构关系采用刘威[8]对韩林修正之后的钢管混凝土核心混凝土约束受压应力应变公式，其受拉应力应变关系采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)推荐的受拉模型[9]，如图1所示.钢管、钢板选用双线性模型，用斜直线来代替塑性阶段及强化阶段，屈服后弹性模量为0.01Es，Es为初始弹性模量，钢材的本构关系如图2所示，其中，fy为钢材的屈服强度；fu为钢材的极限抗拉强度；εy为钢材的屈服应变；εu为钢材的极限抗拉应变.屈服准则遵守Von Mises屈服准则及相应流动法则.
1.3 单元选取及网格化分
模型采用结构化网格划分技术，并选用中性轴算法，以便得到较规则的六面体单元，混凝土采用8节点线性减缩积分三维实体单元(C3D8R).在施加位移荷载时，线性减缩积分单元可得到较高的计算精度.钢管及钢板采用壳单元S4R，钢筋选用2节点线性桁架单元T3D2.在保证精度的原则下，分别对不同部位划分合适密度的网格.网格划分情况如图3所示.
图1 混凝土应力应变曲线
Fig.1 Stress-strain curve for concrete
图2 钢材应力应变曲线
Fig.2 Stress-strain curve for steel
图3 CFW-2网格划分示意图
Fig.3 Schematic CFW-2 mesh division
1.4 接触模拟
接触面定义为硬接触，切向摩擦定义为库伦摩擦模型，滑移系数为0.5[10]，钢板耗能键与方钢管混凝土柱、钢管混凝土排柱与加载梁和基础梁均采用绑定约束.竖向荷载分两个分析步施加到加载梁上，避免接触状态发生剧烈变化，保证收敛的运行.
1.5 边界条件及加载方式
模型的基础梁底部为固端全约束，限制其6个方向的自由度，剪力墙顶面自由.在加载梁顶部施加轴向荷载，侧端施加水平位移荷载.通过两个参考点与加载面耦合来施加荷载，在STEP模块中对应了竖向加载和水平加载两个加载步，具体边界条件和加载方式如图4所示.
图4 加载方式及边界条件
Fig.4 Loading mode and boundary conditions
试件CFW-2的模拟结果与试验破坏形态对比如图5所示.通过应力云图的颜色集中部位可见其屈服损伤的部位基本一致，钢管混凝土柱底部屈曲鼓起，钢板耗能键由矩形变形为平行四边形，结构的塑性变形明显.图6为有限元模型的荷载位移曲线与试验骨架曲线对比，模拟值与试验值基本吻合，模拟最大荷载值稍大于试验值，其曲线强化段与软化段的变化趋势与试验曲线非常相似.但数值模拟的荷载位移曲线的下降段没有试验值明显，原因在于试件混凝土的不均匀性.
图5 CFW-2试验与模拟破坏形态
Fig.5 Experimental and simulated failure forms for CFW-2
图6 CFW-2试验与模拟骨架曲线
Fig.6 Experimental and simulated skeleton curves for CFW-2
总体来讲，模拟值与试验值误差较小，在可接受的范围内，有限元模型能够合理地模拟钢管混凝土排柱钢板耗能键组合结构在低周往复荷载作用下的受力情况，因此，该建模方法能够考虑不同参数对结构的影响.
为了研究不同因素对带钢板耗能键的钢管混凝土剪力墙的影响，以验证的有限元分析模型为基础，建立用于参数分析的基本模型.选取了可能影响结构受力性能的3个主要参数：钢板耗能键的厚度、布置与间距、跨高比，分别设计了3个系列总计12个有限元分析模型，并对以上模型进行了低周往复加载模拟.
3.1 钢板耗能键厚度的影响
钢板设计为4、5、6 mm三个不同厚度的模拟试件，分析钢板耗能键的厚度对组合结构的影响，试件编号依次为HFPW-1、HFPW-2、HFPW-3，钢材为Q235，各模拟试件的组成部件参数为：钢管混凝土柱尺寸为140 mm×140 mm×4 mm，钢材为Q235；钢板耗能键的尺寸为160 mm×160 mm×5 mm.模拟所得3个试件的应力云图、骨架曲线对比图如图7、8所示，不同试件具体的承载力、刚度和延性比等数据如表1所示.
模拟试件的具体性能比较如下：
1) 试件HFPW-1承载力、刚度相对较小，延性性能较好，通过云图颜色分布可以看出，钢板耗能键出现了较重的屈服形态，说明方钢管混凝土柱受钢板约束相对较弱，结构主要以剪切变形为主；
2) 试件HFPW-2与HFPW-1相比较，承载力提高了8.05%，延性减小，方钢管混凝土柱受到钢板的约束作用增强，结构主要以剪切变形为主；
图7 不同厚度应力云图
Fig.7 Stress contours with different thickness
图8 不同厚度试件骨架曲线对比
Fig.8 Comparison in skeleton curves for specimens with different thickness
3) 试件HFPW-3比HFPW-1的承载力提高11.11%，延性进一步减小，方钢管混凝土柱受钢板的约束作用增大，结构主要以弯剪变形为主.
钢管混凝土剪力墙结构的刚度和承载力与钢板的厚度成正比，延性的变化与钢板的厚度成反比，钢板耗能键厚度与钢管混凝土柱的合理匹配存在优化的问题，因此，钢板的厚度宜控制在5～6 mm之间.
表1 不同钢板厚度模拟结果
Tab.1 Simulated results for steel plate with different thickness
3.2 钢板耗能键布置与间距
本文设计了6个不同布置与间距的钢板耗能键模拟试件，分析了钢板耗能键的布置位置对钢管混凝土剪力墙的影响，试件编号依次为MFPW-1，MFPW-2、MFPW-3、MFPW-4、MFPW-5、MFPW-6，分别代表不设钢板耗能键试件、沿高居中设1、2、3、4、5道钢板耗能键试件.钢管混凝土柱尺寸为140 mm×140 mm×4 mm，钢板耗能键的尺寸为160 mm×160 mm×5 mm，钢材为Q235.模拟所得6个试件的应力云图、骨架曲线对比图如图9、10所示，不同试件的承载力、刚度和延性比等数据如表2所示.
模拟试件的性能比较如下：
1) 试件MFPW-1，无钢板耗能键，刚度与承载力较小，但变形能力较强，通过云图颜色分布可以看出，方钢管混凝土柱的柱顶与柱底屈服比较明显，总体以剪切变形为主；
2) 试件MFPW-2，设1道钢板耗能键，比MFPW-1的承载力提高了16.39%，刚度增大34%，延性下降，钢板对角线位置屈服明显，钢管混凝土柱的柱顶、柱底屈服加重，总体以剪切变形为主；
3) 试件MFPW-3，设2道钢板耗能键，比MFPW-2的承载力提高了14.63%，刚度增大26.4%，延性下降明显，钢板耗能键的损伤屈服程度比MFPW-2轻，钢管混凝土柱的柱顶、柱底屈服严重，总体以弯剪变形为主；
4) 试件MFPW-4，设3道钢板耗能键，比MFPW-3的承载力提高了11.17%，刚度提高的幅度不大，延性与钢板耗能键损伤屈服程度接近试件MFPW-3，总体以弯曲变形为主；
5) 试件MFPW-5，设4道钢板耗能键，比MFPW-4的承载力提高了3.4%，刚度提高的幅度不大，延性接近试件MFPW-4，钢板屈服程度比MFPW-4略轻，混凝土柱的柱顶、柱底屈服严重，总体以弯曲变形为主；
图9 不同布置与间距的应力云图
Fig.9 Stress contours with different arrangements and distances
图10 不同布置与间距试件骨架曲线对比
Fig.10 Comparison in skeleton curves for specimens with different arrangements and distances
6) 试件MFPW-6，设5道钢板耗能键，比MFPW-5的承载力提高了5.6%，延性降低，钢板耗能键的屈服程度比MFPW-5轻，钢管混凝土边柱的屈服程度较明显，总体以弯曲变形为主.
钢管混凝土剪力墙随着钢板数量的增加，提高的幅度逐渐减小，延性与钢板的数量成反比，钢板耗能键宜选3～5，即可达到组合结构的要求.
3.3 钢板耗能键跨高比
设计3个2道1层跨高比分别为1.0、1.5和2.0钢板耗能键的模拟试件，分析钢板耗能键的跨高比对组合结构的影响，试件编号依次为KFPW-1、KFPW-2、KFPW-3，钢板的尺寸分别为160 mm×160 mm×5 mm、160 mm×107 mm×5 mm、160 mm×80 mm×5 mm，钢管混凝土柱尺寸为140 mm×140 mm×4 mm，钢管内混凝土为
表2 不同布置与间距钢板的模拟结果
Tab.2 Simulated results of steel plate with different arrangements and distances
C40，钢材为Q235.模拟所得3个试件的应力云图、骨架曲线对比图如图11、12所示，不同试件的承载力、刚度和延性比等数据如表3所示.
各试件的具体分析如下：
1) 试件KFPW-1，承载力与刚度相对比较大，延性较小，方钢管混凝土排柱受钢板的约束作用比较强，总体以弯剪变形为主；
2) 试件KFPW-2，比KFPW-1的承载力降低了9.74%，达到极限荷载时的位移为18.6%，方钢管混凝土排柱受钢板的约束作用减小，呈现出强柱弱梁的特点，总体以弯剪变形为主；
3) 试件KFPW-3，比KFPW-2的承载力降低10.45%，方钢管混凝土排柱受钢板的约束作用较弱，呈现出强柱弱梁的特点，总体以剪切变形为主.
图11 不同跨高比应力云图
Fig.11 Stress contours with different span-depth ratio
图12 不同跨高比试件骨架曲线对比
Fig.12 Comparison in skeleton curves for specimens with different span-depth ratio
钢管混凝土剪力墙结构的刚度和承载力与钢板耗能键跨高比成反比，但减小的幅度随钢板的跨高比增加而逐步降低；延性与钢板耗能键跨高比成正比.对于钢板跨高比较小的结构，刚度比较大，方钢管混凝土柱受钢板的约束作用比较明显，但延性能力相对较低，因此，钢板的跨高比不能小于1.0.
表3 不同钢板耗能键跨高比组合结构的模拟结果
Tab.3 Simulated results of composite structure with different span-depth ratio of steel plate energy dissipation bonds
本文通过采用ABAQUS，建立了合理的有限元模型，并分析了不同厚度、不同布置与间距、不同跨高比的钢板耗能键对钢管混凝土剪力墙结构的影响，为带钢板耗能键的钢管混凝土剪力墙的设计提供了参考.
1) 钢管混凝土剪力墙结构的刚度和承载力与钢板的厚度成正比，延性的变化与钢板的厚度成反比，钢板耗能键厚度与钢管混凝土柱的合理匹配存在优化的问题.
2) 钢管混凝土剪力墙的刚度和承载力与钢板数量成正比，随钢板数量增加，提高幅度减小；延性与钢板数量成反比.合理设计钢板位置与间距，虽不具有最高的承载力和刚度，但延性和钢板弹塑性耗能能力显著，有利于抗震，因此不建议选取很密的钢板.
3) 钢管混凝土剪力墙结构的刚度和承载力与钢板跨高比成反比，减小的幅度随钢板跨高比增加而降低；延性与钢板耗能键跨高比成正比.对于钢板跨高比较小的结构，刚度比较大，方钢管混凝土柱受钢板的约束作用比较明显，但延性能力相对较低.
研究结果表明，带钢板耗能键的钢管混凝土剪力墙的承载力、刚度、延性比都较合适，抗震性能良好；钢板耗能键设计参数应合理匹配，以充分发挥出方钢管混凝土排柱与钢板耗能键协同工作优势，用于高层建筑结构.
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(责任编辑：钟 媛 英文审校：尹淑英)
WANG Hai-jun, LÜ Cong-cong, WEI Hua
(School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)
Abstract：In order to analyze the influence of the thickness, arrangement distance and span-depth ratio of steel plate energy dissipation bonds on the concrete filled steel tube shear wall, a finite element model corresponding to the test was established under the low cyclic loading condition and through using ABAQUS finite element analysis software. The numerical simulation and analysis for the specimens with different parameters were perfomed, and the stress contour and skeleton curves of different parameters were obtained. The results show that the bearing capacity and stiffness of concrete filled steel tube shear wall are proportional to the thickness and arrangement number of steel plate energy dissipation bonds, and are inversely proportional to the span-depth ratio. Moreover, the ductility of the composite structure reduces with increasing the thickness and arrangement number of steel plate energy dissipation bonds, and increases with increasing the span-depth ratio, which provides the references for the parameter design in engineering practice.
Key words：steel plate energy dissipation bond; concrete filled steel tube shear wall; bearing capacity; skeleton curve; low cyclic loading; numerical simulation; ultimate displacement; stress contour
收稿日期：2015-09-01.
基金项目：沈阳市科技计划项目(F13-316-1-43).
作者简介：王海军(1972-)，男，河北河间人，教授，主要从事结构工程等方面的研究.
doi：10.7688/j.issn.1000-1646.2016.01.18
中图分类号：TU 398
文献标志码：A
文章编号：1000-1646(2016)01-0102-07
*本文已于2015-12-07 16∶18在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20151207.1618.030.html