图1 剪力墙模型基本尺寸
Fig.1 Basic dimension of shear wall model
表1 不同试件的组成部件
Tab.1 Part constitute of different specimens
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：为了分析带钢板耗能键的钢管混凝土排柱剪力墙的抗震性能，采用ABAQUS有限元分析软件，在低周往复荷载下，对4个不同设计参数的试件进行了破坏特征、滞回特性、耗能能力、承载力、延性、强度退化及刚度退化的研究，得出各试件应力云图、骨架曲线和滞回曲线，计算出承载力和位移延性比.结果表明，该组合剪力墙的承载力较高，刚度较大，耗能能力强，延性较大，抗震性能良好；随着钢板数量的增加，结构的承载力、耗能能力均提高，但延性下降，外包混凝土能大大提高结构的承载力和耗能能力.
关 键 词：钢板耗能键；钢管混凝土排柱；承载力；骨架曲线；滞回曲线；屈服荷载；极限位移；耗能能力
高层建筑材料主要包括钢筋、混凝土和钢，由这几种材料组合到一起所形成的结构应用愈来愈广泛.随着高层建筑结构中的剪力墙承担竖向荷载和水平荷载的任务越来越大，为了改善普通钢筋混凝土剪力墙的延性，避免出现过厚的墙体，使其在小震作用下有足够抗侧刚度，强震作用下率先进入弹塑性状态，产生较大阻尼来耗散能量[1].钢-混凝土组合剪力墙形式有很多，可以将不同尺寸的型钢、钢管和钢板等与混凝土在剪力墙的不同部位进行不同形式的组合[2].作为综合性能突出的钢-混凝土组合剪力墙，通过发挥不同材料和不同结构形式的优点，使其具有承载能力高、刚度大、延性以及耗能能力良好等优点[3]，适用于高层建筑和复杂综合超高层建筑.聂建国[4]研究了钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能；魏华[5-6]在钢管混凝土组合结构方面进行了力学性能的试验研究；王海军、孔祥宇[7]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、施工性下降的问题进行了探讨；罗志国[8]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研究；马琳[9]通过采用有限元分析软件ANSYS，在循环荷载作用下对37个单层单跨的组合钢板剪力墙实体模型进行了抗震性能分析.本文研究的是带钢板耗能键的钢管混凝土组合剪力墙，该组合剪力墙的骨架结构由钢管混凝土柱和钢板耗能键组成.
基于ABAQUS非线性有限元模拟分析方法，具有全过程仿真的特征，在计算机上按照构件真实的材料特性、边界条件和荷载工况对模型进行
研究.
有限元模型设计的基本部件尺寸参数如图1所示(单位：mm).方钢管混凝土柱的尺寸为140 mm×140 mm×4 mm，方钢管壁厚4 mm，设计4个不同参数的试件，如表1所示.试件的混凝土均采用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，组合剪力墙为对称式.
图1 剪力墙模型基本尺寸
Fig.1 Basic dimension of shear wall model
表1 不同试件的组成部件
Tab.1 Part constitute of different specimens
2.1 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，受压本构关系采用刘威对韩林修正之后的钢管混凝土受压应力-应变公式，受拉应力-应变关系采用《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)推荐的受拉模型[10]，如图2所示.外包混凝土的受拉、受压本构均参照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010).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，屈服准则遵守Von Mises屈服准则及相应流动法则.钢筋采用完全弹塑性双直线模型，没有硬化阶段，相对简单，有利于模型的收敛.
图2 混凝土应力-应变曲线
Fig.2 Stress-strain curves for concrete
2.2 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3 网格划分示意图
Fig.3 Schematic mesh division
2.3 接触模拟
钢管与管内混凝土法向接触面定义为硬接触，切向接触定义为库伦摩擦模型，传递剪应力，滑移系数选为0.5.钢管混凝土排柱与加载梁和基础梁均采用绑定约束，利用embed功能将钢筋和钢板耗能键嵌入到外包混凝土中，使钢板、钢筋和混凝土单元能够共用节点.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.
2.4 边界条件及加载方式
结构模型的基础梁底部设为固端约束，限制其6个方向的自由度，在距离加载梁的顶部和侧端5 mm的距离分别建立相应参考点，跟加载面形成耦合约束(distributing coupling)，需要施加的载荷定义到参考点上，顶端施加的是竖向荷载，侧端施加的是位移荷载，在STEP模块中对应了竖向加载和水平加载两个加载步，具体加载方式和边界条件如图4所示.
图4 加载方式及边界条件
Fig.4 Loading mode and boundary condition
3.1 破坏特征
图5为试件的应力云图.试件CFPW-1，带双层单排钢板耗能键的钢管混凝土排柱组合结构.方钢管混凝土柱根部底部鼓起，钢板随位移荷载的增大开始屈曲变形，钢板与钢管侧壁接触的地方出现撕裂，钢板的对角线破坏明显，钢管柱的底部应力集中，变形较大.试件CFPW-2，带双层双排钢板耗能键的钢管混凝土排柱组合结构.与试件CFPW-1的破坏形式类似，但钢板撕裂破坏程度低于CFPW-1，钢管柱底部应力集中，变形较大.试件CFPW-3，带双层单排钢板耗能键的钢管混凝土排柱组合剪力墙.方钢管混凝土柱间的外包混凝土条带斜裂缝，随位移荷载增大其裂缝不断开展，钢管底部出现鼓起，两侧偏外凸屈曲，外包的混凝土达到其极限承载水平，变形较大，钢筋屈曲变形，钢管柱的角部开裂.试件CFPW-4，带双层双排钢板耗能键的钢管混凝土排柱组合剪力墙.破坏过程与CFPW-3类似，由于该组合结构内部的钢板数量多于CFPW-3，其最终钢板耗能键的变形要小于CFPW-3中的钢板.
图5 试件的应力云图
Fig.5 Stress nephograms for specimens
试件CFPW-1、CFPW-2中的钢板比CFPW-3、CFPW-4的变形大，且呈现对角撕裂的破坏趋势，对于无外包混凝土全面约束的钢板耗能键来说，其屈曲荷载时，易出现屈曲变化，因此会在对角线方向形成较大的倾斜拉力带，凭借这些拉力带承担侧向荷载.塑性铰出现在剪力墙的底部，成为整个模型当中应力和变形集中的区域.
3.2 滞回曲线与耗能能力
当结构或构件在受到循环往复荷载作用时，其荷载-位移关系曲线即为该结构或构件的滞回曲线，一般将其作为分析非线性地震反应的依据.结构或构件的耗能能力是指处于地震能量场内的结构，能量通过地震输入给结构，结构对地震能量有一个吸收和耗散的能力.根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)的规定，试件的耗能能力可以用两种方式来衡量：
1) 滞回环包围的面积，是能量耗散的绝对指标，代表了消耗能量的多少.
2) 耗能性能一般用等效粘滞阻尼系数he和能量耗散系数E作为指标，是能量耗散的相对指标，衡量了构件的耗能效率.一般滞回环包围面积越大越饱满，则该结构所耗散的能量越多，耗能性能越好.
4个试件荷载-位移滞回关系曲线的数值模拟结果如图6所示，耗能能力指标的具体数据如表2所示.由滞回环形状可以看出，试件均无捏缩现象，滞回环的形状相对饱满，说明耗能能力强，在吸收抗震能量方面具有优势.由表2中的耗能能力Ep可知，CFPW-2比CFPW-1的耗能能力提高了12.36%，CFPW-4比CFPW-3的耗能能力提高了1.18%，表明钢板耗能键的数量对组合剪力墙的耗能能力的影响比较明显.
图6 不同试件滞回曲线
Fig.6 Hysteresis curves for different specimens
表2 试件耗能指标
Tab.2 Energy dissipation indexes of specimens
试件CFPW-3的耗能能力较CPFW-1提高了88.8%，试件CFPW-4的耗能能力较CPFW-2提高了70.0%，表明钢管之间填充的混凝土条带提高了组合结构的抗震耗能能力.钢板耗能键由于受到外包混凝土的约束，延缓了进入屈曲阶段的速度，耗能能力得到了充分的发挥，且钢板外包的混凝土与钢管混凝土排柱间形成相互制约的状态，在一定程度上提高了组合剪力墙的变形能力.
3.3 骨架曲线及承载力
骨架曲线是模拟计算结果的荷载-位移关系曲线，是滞回曲线上按顺次相连同向加载时各级所达到的峰值荷载点而形成的包络线，代表了每级循环加载荷载达到最大值的轨迹.图7为4个试件荷载-位移骨架曲线对比.
在组合剪力墙构件的荷载-位移骨架曲线中，很难目测到明显的屈服点.本文选用峰值荷载的75%为屈服荷载，对应的位移为屈服位移，极限荷载取峰值荷载下降到85%，对应的位移为极限位移，具体的数值模拟屈服荷载值和极限荷载值如表3所示.
由图7和表3可知，4条骨架曲线的变化趋势基本一致，CFPW-2的屈服荷载较CFPW-1提高了23.78%，CFPW-2的极限荷载较CFPW-1提高了22.51%，CFPW-4的屈服荷载较CFPW-3提高了34.50%，CFPW-4的极限荷载较CFPW-3提高了23.78%，表明在同一位置增加钢板的数量可以提高组合剪力墙结构的承载力，钢板在结构的承载力上起到一定程度的作用.
图7 骨架曲线
Fig.7 Skeleton curves
表3 屈服荷载及极限荷载的模拟值
Tab.3 Simulated values of yield load and ultimate load
注：Py为屈服荷载；Δy为屈服位移；Pu为极限荷载；Δu为极限位移.
CFPW-3的屈服荷载较CFPW-1提高了48.36%，CFPW-3的极限荷载较CFPW-1提高了47.56%，CFPW-4的屈服荷载较CFPW-2提高了60.67%，CFPW-4的极限荷载较CFPW-2提高了58.03%，表明在CFPW-1和CFPW-2的基础上分别填充混凝土条带之后，组合剪力墙结构的承载力大大提高，比提高钢板的数量更明显.钢板在受到外包混凝土的约束后，有效地抑制其屈曲的发展速度，且混凝土与钢管之间相辅相成，从而提高了整体结构的抗震性能.
3.4 延性
延性可衡量结构或构件的某个截面从屈服至达到最大承载力后的抵抗变形的能力.在抗震规范设计要求中，一般用延性系数来表示，位移延性系数可表示结构的宏观延性，本文采用位移延性系数μ来研究组合剪力墙结构的延性，其表达式为
(1)
位移延性比越大，材料吸收的能量越多，延性越好.表4为各试件具体的屈服位移和极限位移.
表4 屈服位移、极限位移及延性系数
Tab.4 Yield displacement，ultimate displacement and ductility coefficient
由表4可知，试件CFPW-1的承载力虽不及CFPW-2，但其屈服位移和极限位移较CFPW-2分别高出4.1%、9.4%，延性系数也高出5.2%，试件CFPW-3的承载力较CFPW-4差，但其屈服位移和极限位移分别高出0.3%、6.1%，延性系数高出5.7%，表明组合结构的延性变化与钢板耗能键的数量成反比，钢板越多，延性性能下降，因此，方钢管混凝土排柱与钢板数量的合理设计影响着组合剪力墙结构抗震性能的发挥.
试件CFPW-3比CFPW-1的极限位移提高了2.3%，延性系数提高了4.2%，试件CFPW-4比CFPW-2的极限位移提高了3.6%，延性系数提高了1.7%，表明钢板耗能键受到外包混凝土的约束后，承载力提高，且对提高组合结构的变形能力效果也较明显，充分证明外包混凝土条带与钢板耗能键、外包混凝土与方钢管混凝土排柱相互制约、相辅相成的结果.
从两组试件延性比提高的比例来比较，CFPW-3较CFPW-1提高的比例高，表明钢板的数量和方钢管混凝土排柱的合理参数匹配在影响组合剪力墙结构的抗震性能方面都不可忽视.
3.5 强度退化和刚度退化
强度退化代表了循环荷载作用下的承载能力下降的趋势；刚度退化代表了循环荷载作用下抵抗变形能力下降的趋势.本文采用承载力降低系数λj来表示强度退化，其表达式为
(2)
式中
为第j级加载时，第i次循环的峰值荷载；
为第j级加载时，第1次循环的峰值荷载.本文取在同一级加载变形下的环线刚度Kj来作为衡量试件刚度退化的标准，其表达式为
(3)
式中：n为循环次数；
为第j级加载时，第i次循环的峰点变形值.本文数值模拟计算得出的强度退化曲线与刚度退化曲线如图8、9所示.
图8 不同试件强度退化曲线
Fig.8 Strength degradation curves for different specimens
图9 不同试件刚度退化曲线
Fig.9 Stiffness degradation curves for different specimens
由图8可知，数值模拟中加载初期的弹性阶段试件强度均有一定的强化，继而随着循环加载值的增大，各试件进入弹塑性阶段后其强度逐渐出现了退化趋势.在加载后期，有些试件出现强度增强假象，那是由于个别试件加载后期的荷载值超过了该试件的计算破坏值Pu，在继续加载的过程中，该试件的承载力已经降低到一定程度，在材料性能的影响下，同级加载时最后一次循环所得峰值荷载可能会出现比该级第1次循环所得峰值荷载有微小的增大现象，该现象为正常现象.
由图9可知，数值模拟结果中各试件刚度退化曲线趋势基本一致，组合结构进入弹塑性阶段，其刚度退化现象比较明显；数值模拟中随着加载循环次数的增加，位移的增加越来越大，而相应荷载增加较慢，加载至最大荷载后承载力逐渐降低，各试件刚度退化趋势较为明显.
CFPW-3比CFPW-1的初始刚度、屈服刚度分别提高了44.3%、48.7%，CFPW-4比CFPW-2的初始刚度、屈服刚度分别提高了36.2%、31.6%，提高的比例下降，表明组合剪力墙结构在外包混凝土约束钢板的情况下刚度大大提高.由于试件CFPW-2比CFPW-1多一排钢板耗能键，CFPW-2的刚度比CFPW-1明显提高，试件CFPW-4与CFPW-3在钢管混凝土柱之间都填充了外包混凝土，因此，CFPW-4与CFPW-2同CFPW-3与CFPW-1刚度提高幅度值较小.
本文采用ABAQUS建立了合理的有限元模型，在低周往复荷载作用下，从破坏特征、滞回曲线及耗能能力、骨架曲线及承载力、延性、刚度退化和强度退化等方面进行了抗震性能研究，为带钢板耗能键的钢管混凝土排柱组合结构的设计提供了参考，并得出以下结论.
1) 带钢板耗能键的钢管混凝土组合剪力墙结构的滞回耗能能力强，且钢板耗能键的数量及钢管之间填充的混凝土可提高组合结构的抗震耗能能力.钢板受到外包混凝土的约束，延缓进入屈曲阶段的速度，其耗能能力得到充分发挥，且钢板外包的混凝土与钢管混凝土排柱间形成相互制约的状态，在一定程度上提高了组合剪力墙的耗能能力.
2) 同一位置增加钢板的数量可以提高组合剪力墙结构的承载力，外包的混凝土条带对提高结构的承载力作用明显，比提高钢板的数量更明显.
3) 组合结构的延性变化与钢板耗能键的数量成反比，钢板越多，延性性能下降，钢板耗能键受到外包混凝土约束后，不仅对提高承载力有明显作用，且对提高组合结构的变形能力效果也很明显，充分证明外包混凝土条带与钢板耗能键、外包混凝土与方钢管混凝土排柱相互制约、相辅相成的结果.
4) 加载初期的弹性阶段，试件强度有一定的强化，随着循环加载值增大，各试件进入弹塑性阶段后其强度逐渐出现退化趋势.试件进入弹塑性阶段，随着循环加载次数增加，位移增长越来越大，而相应荷载增加较慢，加载至最大荷载后承载力逐渐降低，各试件刚度退化趋势较为明显.
带钢板耗能键的钢管混凝土剪力墙具有承载力高、后期刚度稳定、延性比较大的特点，表明抗震性能良好；钢板耗能键和外包混凝土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、外包混凝土协同工作优势，可用于高层建筑结构.
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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 seismic behavior of concrete filled steel tube column row shear wall with steel plate energy dissipation bond,the failure characteristics,hysteretic characteristics,energy dissipation capacity,bearing capacity,ductility,strength degradation and stiffness degradation of 4 specimens with different design parameters were studied under low cyclic loading and through adopting ABAQUS finite element analysis software.In addition,the stress nephogram,skeleton curve and hysteresis curve were obtained,and the bearing capacity and displacement ductility ratio were calculated.The results show that for the composite shear wall,the bearing capacity is relatively high,the stiffness,energy dissipation capacity and ductility are relatively large,and the seismic performance is good.With increasing the number of steel plates,both bearing capacity and energy dissipation capacity of the structure are improved,but the ductility decreases.Moreover,the surrounding concrete can greatly improve the bearing capacity and energy dissipation capacity of the structure.
Key words：steel plate energy dissipation bond; concrete filled steel tube column row; bearing capacity; skeleton curve; hysteresis curve; yield load; ultimate displacement; energy dissipation capacity
收稿日期：2015-09-25.
基金项目：沈阳市科技计划项目(F16-205-1-09).
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.1000-1646.2016.02.20
中图分类号：TU 398.2
文献标志码：A
文章编号：1000-1646(2016)02-0228-07
*本文已于2016-03-02 16∶45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.20160302.1645.032.html