木蓋板屈曲約束鋼板剪力墻抗震性能有限元分析*

李奉閣,汪江超,陳玥

(內蒙古科技大學 土木工程學院,內蒙古 包頭 014010)

木蓋板屈曲約束鋼板剪力墻作為一種新型抗震結構,有效地解決了傳統的非加勁厚鋼板剪力墻用鋼量巨大、不經濟,非加勁薄鋼板墻抗震耗能時屈曲變形過大等問題;與混凝土屈曲約束鋼板墻相比,木蓋板更輕便利于施工安裝,協調變形能力好,可以避免混凝土蓋板提前開裂破壞導致結構失效等問題,且木材可再生、環保綠色的特性應用前景巨大.郭彥林[1-3]等學者采用試驗和有限元分析研究了不同類型的鋼板墻的抗震性能,并通過數值分析給出了RC蓋板約束剛度以及連接螺栓的設計公式;鐘恒[4]等學者以約束蓋板放置方式等為參數對兩個1/3縮尺分塊蓋板屈曲約束鋼板墻進行了試驗分析;汪大洋[5-6]等學者對分塊蓋板屈曲約束鋼板墻進行了有限元分析;目前,國內外學者對組合鋼板墻和預制混凝土蓋板防屈曲鋼板剪力墻進行了一些研究,但是對木蓋板屈曲約束鋼板墻的研究還比較少,還停留在理論研究階段,不利于該結構的推廣應用,因此,文中對木蓋板屈曲約束鋼板墻進行有限元數值分析,為木蓋板屈曲約束鋼板剪力墻的推廣應用提供基礎.

文中前期對設置屈曲約束木蓋板和不設置屈曲約束木蓋板的兩個鋼板剪力墻試件進行低周往復荷載擬靜力試驗;采用數值分析方法,建立ABAQUS有限元模型并對比分析有限元和試驗試件的承載能力等特征驗證模型正確性,在原試驗有限元模型基礎上選取木蓋板連接螺栓排布方式、內嵌板高厚比和木蓋板厚度等影響結構抗震性能的因素,對木蓋板屈曲約束鋼板剪力墻結構體系做了進一步的參變分析.

1 試驗概況

設計兩個尺寸相同、單層單跨的普通薄鋼板剪力墻和木蓋板屈曲約束鋼板剪力墻試件,縮尺比例為1/3;框架柱和梁截面分別為HW150 mm×150 mm×7 mm×10 mm和HM150 mm×100 mm×6 mm×9 mm,框架通過焊接方式連接,內填板和木蓋板屈曲約束構件幾何尺寸分別為900 mm×900 mm×1.8 mm和700 mm×720 mm×70 mm,通過高強螺栓將約束件與內填板連接,具體見圖1,對兩試件進行低周往復荷載試驗,在試件柱頂加載端處施加往復荷載;試件的材性參數見表1和表2.

圖1 試驗試件尺寸(a)非加勁鋼板墻試件;(b)木蓋板屈曲約束鋼板墻試件

表1 鋼材材性性能

表2 木材材性性能

2 有限元模型

采用ABAQUS建立有限元模型,本文采用殼單元S4R和實體單元C3D8R來模擬內填鋼板以及周邊框架和木蓋板約束件,以便獲得更精確的計算結果;在確保計算精度的情況下對試驗模型進行簡化,簡化模型見圖2;采用綁定約束來模擬框架梁柱之間的焊接連接作用,忽略魚尾板的影響并將內填鋼板直接與框架綁定;以內填鋼板為主面、兩側木蓋板的內表面為從面設置表面與表面接觸的相互作用關系,選用有限滑移公式來模擬兩側木蓋板與內填鋼板之間的相對滑移;使木蓋板與內填鋼板之間的接觸面光滑且不發生相互穿透,能更好地傳遞壓力和變形;采用梁單元B31來模擬連接螺栓,將兩側木蓋板外表面螺栓孔位置處的相應區域與連接螺栓進行MPC多點約束,以實現連接螺栓對兩側木蓋板的約束作用.

圖2 簡化模型

采用雙線性強化模型來模擬鋼材本構關系,鋼材各項參數按照前文材性試驗折算成真實值取用,采用米塞斯準則定義鋼材的屈服;采用正交各向異性模型來模擬木材本構關系,處于彈性階段的木材可以用縱、徑、弦三方向的彈性模量以及泊松比等9個彈性參數定義正交各向異性.

試驗與有限元模型的骨架曲線見圖3;由圖易知,有限元與試驗結果在試件達到極限承載力之前有較高的重合度;隨著兩試件達到極限承載力以后,兩試件內填鋼板塑性變形嚴重,兩側柱腳翼緣相繼出現屈曲斷裂,導致其骨架曲線開始下降,而有限元模型隨著材料普遍進入強化階段,承載力增長也逐漸趨于平緩;總的來說,有限元和試驗結果能保持基本的一致性.

圖3 有限元與試驗骨架曲線對比

3 參變分析

文中在原試驗有限元模型基礎上選取了木蓋板連接螺栓排布方式、內嵌板高厚比和木蓋板厚度等影響結構抗震性能的因素,對木蓋板屈曲約束鋼板剪力墻結構體系做進一步的參變分析,參變模型邊界設置以及加載模式等參數和試驗模型一致.

3.1 連接螺栓排布方式

其他參數不變的情況下,對不同連接螺栓排布方式下的木蓋板屈曲約束鋼板剪力墻模型進行有限元分析,分為5種螺栓排布方式:0×0,2×2,3×3,4×4,5×5.

圖4為5種不同螺栓排布方式下模型的骨架曲線和剛度退化對比;0×0相當于普通非加勁鋼板剪力墻,由圖可以看出,其極限承載力以及剛度要小于其他設置屈曲約束木蓋板的構件;在整個加載過程中木蓋板屈曲約束鋼板墻的剛度要略大于普通薄鋼板墻,而兩者剛度退化的趨勢基本相似.初始剛度最大的是5×5排布方式的試件,約為132.43 kN/mm,相較于普通鋼板墻,木蓋板屈曲約束件的設置能有效提高鋼板墻的初始剛度.參考AISC[7]給出的單側RC板螺栓間距限值公式以及文獻[1]和[8]的相關規定,木蓋板屈曲約束鋼板剪力墻的最大螺栓間距和內填板厚比值可取d/tw=100;3×3以上螺栓排布方式滿足要求,鋼板墻受力機制為平面內剪切作用,這是因為螺栓排布越密,內填板與木蓋板的面外約束點越多,從而對內填鋼板起到的約束作用越好,避免了內嵌鋼板的面外變形,而0×0和2×2由于排布方式過于稀疏,不滿足要求,不能給予內嵌鋼板足夠的約束,導致其發生整體面外變形屈曲,受力機制為拉力帶作用;由此可見,合理的螺栓排布方式對結構的受力有很大影響.

圖4 不同螺栓排布骨架曲線和剛度退化對比(a)骨架曲線;(b)剛度退化

3.2 內填鋼板高厚比

內填鋼板高厚比是影響結構抗震性能的關鍵參數;以內填鋼板高厚比為變量探究其對結構性能的影響規律.板高厚比變量分別為:λ=200,λ=300,λ=400,λ=500和λ=600.不同高厚比模型的骨架曲線和剛度退化見圖5;高厚比λ=200時試件的承載力和初始剛度分別為821.33 kN和183.84 kN/mm,λ=600時承載力和初始剛度分別為496.49 kN和120.71 kN/mm,相對于高厚比λ=600的鋼板墻而言,λ=200時試件的承載力和初始剛度提高了約65%和52%;由此可見,結構高厚比越小,其承載力提升越明顯,板高厚比越小的結構初始剛度越大.

圖5 不同高厚比骨架曲線和剛度退化對比(a)骨架曲線;(b)剛度退化

3.3 木蓋板厚度

內填板兩側木蓋板約束件對其面外屈曲起到重要的約束作用,是影響鋼板墻性能的關鍵因素;其他參數不變,通過調整木蓋板約束件厚度研究其對結構抗震性能的影響,木蓋板厚度分別取為T=0 mm;T=30 mm;T=50 mm;T=70 mm.不同木蓋板厚度模型的骨架曲線和剛度退化見圖6,各模型對應于位移角為1/50時,木蓋板厚度T=0 mm時試件承載力和初始剛度分別為489.16 kN和105.78 kN/mm;T=50 mm和T=70 mm時分別為535.57 kN,131.08 kN/mm和542.76 kN,132.43 kN/mm;木蓋板的設置以及蓋板厚度的增加,使試件承載力和剛度有所提升,并減緩剛度退化,提升其后期抗側高度,當木蓋板厚度增加至50 mm以上時,試件承載力提升逐漸平緩,剛度退化逐漸趨于一致.

圖6 不同木蓋板厚度骨架曲線和剛度退化對比(a)骨架曲線;(b)剛度退化

4 結論

1)采用ABAQUS軟件建立的有限元模型能夠很好地模擬木蓋板屈曲約束鋼板墻在往復荷載下的抗震性能,有限元與試驗結果能夠保持較好地一致性.

2)連接螺栓間距減小,結構的極限承載力呈現增大的趨勢,由0×0至5×5排布時,承載力提升約12%;而其對剛度退化的影響則較小,剛度退化的規律大致相同.

3)高厚比λ是影響鋼板墻抗震性能的主要因素;λ由600降至200時,承載力和剛度分別提升了65%和52%;高厚比越小,結構的承載力和剛度提高越明顯.

4)木蓋板約束件的設置以及蓋板厚度的增加提升了結構承載力和初始剛度,設置50 mm厚木蓋板約束件鋼板墻較普通鋼板墻承載力和剛度分別提升約10%和24%,而當木蓋板增加至50 mm以上時,試件承載力和剛度不再顯著增加.