L形双层波纹钢板-混凝土组合剪力墙抗侧性能有限元分析

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论文字数:38555 论文编号:sb2021071015551736307 日期:2021-08-04 来源:硕博论文网
笔者认为传统混凝土剪力墙,已逐渐不能满足现代高层超高层建筑适用性。钢板-混凝土组合剪力墙作(SCW)为新型的抵抗水平力构件,具有更优秀的变形耗能能力、刚度和抵抗水平荷载能力。其优秀的结构形式的在实际应用中可以加快施工进度、节省建筑空间、更加绿色环保等。但 SCW 在水平荷载较大时,钢板与混凝土会发生相对滑移现象,使钢板与混凝土的黏结力减弱,钢板对混凝土的约束能力降低,对抗震性能产生不利影响。为了减弱这种现象对抗震性能的不利影响,本文对普通的 SCW提出改善,设计了一种新型的钢管束形式的双层波纹钢板-混凝土组合剪力墙(RSCW)。

第 1 章 绪论

1.1 研究的背景及意义
随着我国经济的发展,高层和超高层建筑成为我国建筑的发展趋势。钢板-混凝土组合剪力墙结构由于其水平刚度大、抵抗能力高,目前在我国作为主要的抗水平力构件系统广泛的用于高层建筑,其可以有效地减少结构的水平位移,以及可以很好的抵抗风荷载和地震的作用[1]。根据已竣工和在建项目估算,到 2020 年,全球 20座超高层建筑中,中国共有 11 座,其中上海中心大厦(图 1-1)是我国最高的建筑物,其总高度达到 632 m;深圳平安大厦(图 1-2)总高度达到 599 m;天津高银 117大厦(图 1-3)总高度达到 597 m。中国在高层建筑方面当之无愧的成为世界第一大国[2]。
图 1-1 上海中心大厦 图 1-2 深圳平安大厦 图 1-3 天津 117 大厦
图 1-1 上海中心大厦 图 1-2 深圳平安大厦 图 1-3 天津 117 大厦
已有研究显示,髙层建筑由于地震荷载、风荷载作用,其承受的侧向力比较大,为了满足建筑的安全性[3],剪力墙是抵抗侧向力的一种良好的结构形式。但现代建筑多为高层超高层建筑,高度越来越高,导致建筑自重逐渐增大,只是增大剪力墙厚度会减少建筑面积的使用率,已不能满足现代建筑的使用功能,因此双钢板-混凝土组合剪力墙作为一种新型的扛侧力构件应运而生。其相较于普通钢筋混凝土剪力墙,可以大幅减少墙体厚度、自重,具有更好的变形能力和延性。钢板包裹混凝土,减少了施工中支模、拆模、钢筋绑扎等步骤,使施工成本大大降低。同时由于钢板-混凝土组合剪力墙的装配式施工方式,可以加快施工进度,更加绿色环保。
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1.2 国内外研究现状
大量的国内外学者研究证明钢板内包混凝土组合剪力墙拥有优秀的变形耗能力,在此基础上,又有大量学者为进一步发挥钢板内包混凝土组合剪力墙结构的优势,提出许多合理的优化建议,进一步提高了钢板内包混凝土组合剪力墙的力学性能,将波纹钢板代替平钢板的新型钢板混凝土组合剪力墙就是其中一种。通过阅读大量有关钢板-混凝土组合剪力墙的文献,为本课题的研究方向提供了参考。
1.2.1 单钢板-混凝土组合剪力墙
上世纪 60 年代,在日本的工程应用中就首先出现了混凝土内包钢板组合剪力墙[5],通过对该剪力墙的承载能力、刚度、延性等性能指标对其抗震性能进行了分析,研究发现当混凝土与钢板出现滑移现象时,其承载能力下降速度加快。
2000 年, Astaneh-Asl、Zhao 等人[6,7]对单侧钢板-混凝土组合剪力墙进行了研究,根据混凝土与周围型钢框有无缝隙而分成“传统型”剪力墙和“改进型”剪力墙,如图 1-4 所示。根据试验分析,“改进型”剪力墙相比“传统型”剪力墙有更好的抗侧力能力。同年,Hitaka 等人[8]提出在钢板上切割垂直接缝,钢板与混凝土采用高强螺栓连结。这种形式的剪力墙具有良好的延性以及最佳的能耗能力。
2006 年,廖飞宇等人[9]针对钢-混凝土组合剪力墙破坏特点、变形耗能能力、刚度和承载力退化特征的国内外研究做出了探讨,对该钢-混凝土组合剪力墙进行了分类,并且对各类钢-混凝土组合剪力墙分析对比了其优缺点,提出了钢-混凝土组合剪力墙目前的问题,为其发展提出了建议。
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第 2 章 双钢板-混凝土组合剪力墙试验有限元模拟

2.1 引言
本章将对已有试验天津大学[54]的双钢板-混凝土组合剪力墙中的一字形构件(YZQ-1)以及 T 形构件(TXQ-1)进行有限元模拟分析,并与实际结果进行对比。有限元分析的本质是利用数学上近似的原理对实际工况进行模拟。把构件进行离散化,分成大量但有限的各个单元,使构件的应力应变情况通过单元间的传递来体现。有限元分析方法划分的单元越多,则对构件的描述情况越精确,既越接近实际的状态,计算量也随之提升。随着计算机日新月异的发展,计算速度的提高,有限元分析方法作为一种科学的研究方法被大量学者采用。
本次课题采用 ABAQUS 软件进行模拟分析,ABAQUS 是一款强大的有限元分析软件,其自动选择适合的载荷增量进行非线性分析过程很好的契合了本课题低周往复施加荷载及构件材料的弹塑性变形分析。通过选取合适的材料本构模型,合理选取单元划分网格,设置接触关系,设置荷载边界条件等一系列步骤,建立与实际构件基本相符的有限元模型,计算出结果。通过对比计算结果与试验结果的骨架曲线和抵抗水平荷载能力等性能指标来验证本次模拟方法是否符合实际工况。
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2.2 试验概况
本文选取的是天津大学所研究的双钢板-混凝土组合剪力墙试验中的一字形YZQ-1 构件和 T 形 TXQ-1 构件,并对其进行有限元数值模拟分析。YZQ-1 构件和TXQ-1 构件均采用 C40 混凝土,钢材屈服等级为 Q345,钢板厚度为 4 mm。其中双钢板-混凝土组合剪力墙试验设计的 YZQ-1 构件尺寸为 2 700 mm×1 324 mm×130mm(墙体高度×墙肢长度×墙体厚度),墙体端部设置了边缘构件钢管混凝土,钢管尺寸为 160 mm×130 mm×4 mm,构件的轴压比为 0.3,剪跨比为 2.19,构件横截面尺寸示意图如图2-1(a)所示。TXQ-1构件的尺寸为2 600 mm×1 250mm×130 mm(墙体高度×腹板长度×腹板厚度),翼缘尺寸为 770 mm×130 mm(翼缘长度×翼缘厚度),矩形钢管尺寸为 130 mm×130 mm×4 mm,轴压比为 0.6,剪跨比为 2.19,构件横截面尺寸示意图如图 2-1(b)所示。
a) YZQ-1 试件截面尺寸示意图
a) YZQ-1 试件截面尺寸示意图
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第 3 章 RSCW 与 SCW 剪力墙抗侧性能对比分析····················23
3.1 前言·························23
3.2 RSCW 与 SCW 剪力墙有限元模型 ······················23
第 4 章 参数变化对剪力墙抗侧性能影响分析 ·······················29
4.1 前言····························29
4.2 L 形双层波纹钢板-混凝土组合剪力墙有限元模型 ·······························29
结论 ······················57

第4章 参数变化对剪力墙抗侧性能影响分析

4.1 前言
上一章已经验证了 RSCW 剪力墙的优越性。本章是在上一章和正确的模拟方法的基础上,对 L 形双层波纹钢板-混凝土组合剪力墙(LRSCW)进行的有限元模拟分析,主要分析了 LRSCW 构件在水平低周往复荷载作用下,改变混凝土强度等级、钢板强度等级、钢板的厚度、轴压比、剪跨比和腹板腔数波纹数[66]6 个参数对变形耗能能力、刚度和抵抗水平荷载能力等性能指标的影响。并通过应力云图对典型构件的力学特征和破坏机理进行了分析。
本章根据 2.3.1 中的 ABAQUS 有限元基本分析步骤建立模型。其中混凝土本构,受压应力应变关系按照第 2.4.1(1)节中表达式(2-2)~(2-9)计算,受拉应变关系按照第 2.4.1(1)节中表达式(2-10)~(2-13)计算。其受压损伤因子按照第 2.4.1(2)节中表达式(2-14)计算,受拉损伤因子按照第 2.4.1(2)节中表达式(2-15)计算。塑性应力应变关系按照 2.4.1(3)节中表达式(2-16)~(2-19)计算。钢材选用二折线理想弹塑性模型,应力应变关系曲线如图 2-10 所示。将试件顶部面设置成一个刚性面,在刚性面上耦合一个参考点,参考点在 L 形的质心。与前两章模型设置不同的地方是构件省去了刚性加载梁,这样做的原因是,L 形双层波纹钢板-混凝土组合剪力墙相较于一字形,多了一个翼缘以及采取波纹钢板和较不规则的混凝土,会使计算量大幅增加。省去刚性加载梁,而采用刚性面耦合参考点,两种模型的区别较小,计算结果相似,都符合实际工况,但会节省计算量。其余接触及边界条件参照 2.3.3 设置,如图 4-1 所示。单元选取和网格划分参照 2.3.2 节内容来进行设置,如图 4-2 所示。荷载的施加参照 3.2.2 节内容来设置。
图 4-1 模型效果图 图 4-2 网格划分示意图
图 4-1 模型效果图 图 4-2 网格划分示意图

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结论


传统混凝土剪力墙,已逐渐不能满足现代高层超高层建筑适用性。钢板-混凝土组合剪力墙作(SCW)为新型的抵抗水平力构件,具有更优秀的变形耗能能力、刚度和抵抗水平荷载能力。其优秀的结构形式的在实际应用中可以加快施工进度、节省建筑空间、更加绿色环保等。但 SCW 在水平荷载较大时,钢板与混凝土会发生相对滑移现象,使钢板与混凝土的黏结力减弱,钢板对混凝土的约束能力降低,对抗震性能产生不利影响。为了减弱这种现象对抗震性能的不利影响,本文对普通的 SCW提出改善,设计了一种新型的钢管束形式的双层波纹钢板-混凝土组合剪力墙(RSCW)。本文采用数值模拟的方法,首先对模拟已有试验,并与实验结果进行对比,其误差在允许范围内,保证了模拟方法的合理性。接着对 RSCW 剪力墙与 SCW剪力墙建立模型,并进行对比分析,RSCW 剪力墙有更优良的抗震性能,验证了研究方向的可行性,最后针对 L 形双层波纹钢板-混凝土组合剪力墙(LRSCW)改变混凝土强度等级、钢材屈服强度、钢板厚度、轴压比、剪跨比、腹板腔数波纹数等参数情况下进行模拟分析,提出了上述参数对其抗侧力性能的影响,并得出以下结论:
1)RSCW 相较于 SCW 具有更好的延性,变形耗能能力、刚度和抵抗水平荷载能力,同时节省空间。具有更优良的抗侧力性能。
2)LRSCW 随着混凝土强度等级的提高,其水平承载能力也得以提高,但是并不能提高构件的变形耗能能力。钢材屈服强度的增强,对构件水平承载能力、变形耗能能力和刚度有所提高。钢板厚度的增加,可以大幅提高试件的刚度和抵抗水平荷载能力,对变形耗能能力也有一定程度上的提升。同时,这三个参数最优的搭配可以使构件的延性达到最高,在实际工程应用中,要保持钢材和混凝土材料的合理组合,不能只增加或减少其中一个参数,这样既充分发挥钢材与混凝土的协同作用,也不会造成材料性能的浪费。
3)在本课题所研究的 6 组参数中,对比水平峰值荷载,钢板厚度的增加,可以最大幅度提高 LRSCW 的水平承载能力和刚度。因此增加钢板厚度是增强 LRSCW 水平承载能力的最有效措施。
参考文献(略)


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