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钢板混凝土剪力墙的抗震性能及其在中国的应用
王斌,蒋欢军,吕西林
同济大学土木工程国家减灾重点实验室，上海200092；
同济大学土木工程学院结构工程与减灾研究所，上海200092.
关键词：
钢板钢筋混凝土剪力墙；数值模型；参数研究；抗震性能.
摘要
钢筋混凝土(RC)剪力墙是广泛用于高层的主要结构部件之一,来抵抗由于世界各地地震引起的横向荷载.但是,过去的地震经验和以前的研究表明,高层建筑底部的钢筋混凝土剪力墙可以在遭受严重地震时显示出未曾预料的性能.为此,钢板钢筋混凝土(SPRC)复合剪力墙得到发展,特别是近几年在中国超高层建筑中得到普遍应用.首先, SPRC剪力墙在中国广泛应用,基于软件OpenSees的建模技术来模拟钢纤维混凝土剪力墙的滞回性能得到了传统试验结果的验证.验证的数值模型被进一步用于参数研究,重点关注一些重要参数,包括应用钢板的比率、轴向压缩荷载比、混凝土强度和腹板加筋比.这个参数研究为SPRC剪力墙的工程应用提供了有用的信息.
1.引言
由于较高的侧向刚度和强度, 在地震多发区，RC剪力墙已广泛用于高层建筑物.过去的地震经验表明, 在一些高层建筑，RC剪力墙通常集中在底部遭受严重的损坏,如2010年2月22日大地震和2011年2月22日基督城地震[1-3]中的RC剪力墙的破坏.特别是对于具有高轴向压缩荷载比的剪力墙,由于边界地带的限制不足,以及相对较低的剪切强度,它们易于遭受地震损坏.为了确保RC剪力墙的理想抗震性能,考虑周到的钢筋细节,极限轴向压缩荷载比,已在相关地震中规定了墙网和边界单元设计规范.作为设计规范要求的结果,超高层建筑的底层中的钢筋混凝土剪力墙经常被设计为具有较大的厚度和致密的钢筋.厚厚的墙壁可以占据相当大的有用空间而增加整个结构的自重,反过来可增加地震力.另一方面,增加RC墙中垂直和水平钢筋的量并不能有效地提高它们的延展性和改善能量耗散能力[4].在墙腹板和边界中,过多的钢筋通常会造成严重施工的困难.因此,由于两种结构(钢筋和混凝土)材料的有利特性,能够克服RC剪力墙缺点的钢板钢筋混凝土(SPRC)得到了发展.近几年,它已经广泛地应用于中国的超高层建筑中.
一般来说,根据不同配置的钢板和混凝土,SPRC剪力墙可以分为两类,如图1所示. 第一类是混凝土[5-7]中嵌入的钢板的SPRC剪力墙.第二类是混凝土中包含双钢板的(CFSP)剪力墙[8-11].与SPRC剪力墙相比,由于钢板更容易屈曲,结构墙壁和地板之间的连接困难等缺点,CFSP剪力墙的应用不太广泛.因此研究侧重于第一类SPRC剪力墙.下文中SPRC剪力墙仅指第一种类型.
虽然SPRC剪力墙已经在工程实践中应用,并在最近中国设计规范JGJ3-2010[12]中有了初步设计规定,但直到现在在其上进行的研究工作是非常有限的.现有为SPRC剪力墙开发的数值模型几乎不能模拟SPRC剪切墙滞回性能. 它们大多是考虑混凝土、钢板、剪力钉等特性的通用有限元模型，对超高层建筑结构的分析是比较耗时的。建模技术需要改进.另外,主要设计参数对SPRC剪力墙的抗震性能的影响尚不清楚.然而,这种知识可能有益于其应用在工程实践中.本文的目的是开发改进数值模型以模拟SPRC剪力墙的滞回性能,然后通过数值模拟对其抗震性能进行参数分析. 得出相应的结论和设计建议。
图1 SPRC和CFSP墙的常规配置
2. SPRC剪力墙在中国的应用
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表1 中国典型超高层建筑的结构设计参数 |
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建筑名称 |
高度(m) |
层数a |
混凝土强度fcu(MPa)b |
钢板比c |
抗震烈度d |
竣工年份 |
|
上海塔 |
632 |
124(13) |
60 |
4.0% |
7 |
2015 |
|
深圳平安金融中心 |
600 |
115(12) |
60 |
3.5% |
7 |
2016 |
|
天津高银金融117大厦 |
597 |
117(36) |
60 |
5.0% |
7.5 |
2016 |
|
广州东塔 |
530 |
112(32) |
80 |
2.7% |
7 |
2015 |
|
天津周大福中心 |
530 |
94(23) |
60 |
3.0% |
7.5 |
2018 |
|
中国尊 |
528 |
108(41) |
60 |
5.0% |
8 |
2018 |
|
财富金融中心二期 |
267 |
61(19) |
60 |
5.8% |
8 |
2014 |
|
北京绿地中心 |
260 |
55(5) |
60 |
3.3% |
8 |
2016 |
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a 括号中的数字表示采用SPRC剪力墙的层数； |
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b fcu是混凝土的立方体抗压强度； |
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c 该值是底层的钢板比率； |
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d 地震动的设计基本加速度分别为0.1g,0.15g和0.2g,地震烈度分别为7,7.5和8. |
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自20世纪90年代以来,中国超高层建筑的建设激增.根据统计数据,中国占据世界二十个超级高楼中的55%,包括正在建设中[13].SPRC剪力墙应用在大多数超过400m的建筑和在地震烈度区域的高度超过200m的建筑,表1列出了在中国采用SPRC剪力墙的典型的超高层建筑的结构设计参数.
表1中列出的建筑物位于具有中强地震风险的地区.钢板比值的最大值为接近6％.在超高建筑物中优先选高强度混凝土以满足结构组件的高承载能力的需求.然而, 对于高强混凝土脆性的峰后行为, 在中国工程应用中混凝土抗压强度的上限一般为60MPa.如果采取合理的措施来提高部件的延展性,如降低轴向压缩荷载比,那么混凝土可以有更高的强度.
图2是SPRC剪力墙在总高度为632米的上海塔的典型工程应用.钢板嵌入在RC墙中,钢板的屈曲即使在剧烈地震下也可以防止.剪钉焊接在钢板的两侧,以减少混凝土和钢板之间的粘结滑移.在边界柱中嵌入型钢可以提高承载能力.正如所料,SPRC墙可以提高承载压力和剪力,并且与常规RC墙相比,使用更薄的SPRC墙,可以降低结构的自重.
图2 上海塔建造场所的SPRC剪力墙典型的案例
3.SPRC剪力墙的数值模型
该研究的建模和非线性分析通过软件OpenSees [14]进行.数值模型可以取轴力,弯矩和剪力之间的相互作用力来考虑.数值模型的详细描述如下.
3.1数值模型
如图3所示, SPRC剪力墙的数值模型在OpenSees中建模.SPRC墙的边界条件通过使用基于位移的梁-柱光纤单元建模,从而可以确保合理的精度水平和收敛效率[15,16].为了体现边界条件中由箍筋引起的约束效应,数值模型中的混凝土区域分为无约束混凝土区(混凝土盖)和约束混凝土区.输入了边界条件的型钢由许多离散的钢纤维表示.拥有双线性等参公式的四元组可用来模拟SPRC墙的腹板,包括RC面板和钢板.弹性梁柱构件被用来模拟刚性加载梁,其中施加了轴向压缩荷载和横向荷载.
剪切连接的钢筋混凝土板和预埋钢板用命令“equaldof”模拟螺栓的行为，这将使节点的钢筋混凝土板和钢板的单元具有相同的坐标。换句话说,混凝土和钢板之间的粘结滑移在该模型中可忽略.要注意,当没有足够的剪钉来协调循环荷载下的变形时,这个假设可能不适合.命令“equalDOF”也用于模拟边界元素和SPRC墙网之间的变形兼容性.所有节点墙的基部是完全固定的.在各种不同的网格尺寸实验后,建议使用的网格尺寸为塑性铰的长度,这足以获得足够的精度和提高覆盖率.
3.2材料本构关系
使用OpenSees中的单轴混凝土02本构模型为无约束混凝土和由箍筋约束的混凝土.相应的应力,曲线上的峰值和破坏点处的应变值可以是通过使用Chang和Mander模型计算[17],如图4所示.
边界区域里的纵向钢筋和型钢的性能可由单轴钢筋02材料来表示模型.屈服强度fy和杨氏模量E0的值可从钢筋的拉伸试验中获得.应变硬化率为1％.控制非线性曲线形状的参数R0,cR1和cR2分别取为18.5,0.925和0.15,如图5所示.
图3 SPRC墙的数值模型
SPRC剪力墙的RC板采用平面应力RC材料,在OpenSees中命名为FAReinforcedConcretePlaneStress,这是基于Mansour和Hsu [18,19]提出的循环软化膜模型(CSMM).破裂的钢筋混凝土被认为是模糊裂纹模型中的连续材料.材料性质通过一组模糊应力应变来表示混凝土和钢筋的关系.
采用多维材料PlaneStressSimplifiedJ2是为了模拟钢板.屈服强度fy和杨氏模量E0的值通过钢板拉伸试验测得.相应的体积模量K和剪切模量G由杨氏模量E0确定.弯曲的钢板被忽略,因为它可以避免由于约束侧向周围混凝土的影响.
3.3模拟结果和验证
在本节中,对具有不同设计参数的RC墙,SRC墙和SPRC墙,六个样品的典型实验被用来验证数值模型.考虑该部分所有的单向弯曲构造标本在其顶部受到集中的横向力.测试的细节标本提供如下,更多的设计细节可以参考Thomsen和Wallace [20],Lefas和Kotsovos [21],Caoet al[22]和Jiang et al[6].
RW2是一个细长的RC墙,高度为3660毫米,截面尺寸为1220mmtimes;102mm.平均压缩试验时,混凝土的强度为42.8MPa.边界区、腹板和箍筋的纵向钢筋的屈服强度分别为434MPa,448MPa和434MPa.通过负载转移组件,在墙顶部施加378kN的轴向压缩荷载.试样在由位移控制的循环加载下进行,每个振幅具有两个周期水平.在横向漂移水平为0.5％的第一循环导致在底层出现弯曲裂缝.主要混凝土剥落边界带以2.5％的漂移记录.观察到的RW2的损伤模式是由屈曲控制.
sw33旨在探讨加载时间对钢筋混凝土墙的方法修复的影响。墙的高度为1300mm,截面为650mmtimes;65mm的矩形.平均混凝土抗压强度为39.4MPa.垂直,水平和环向钢筋的屈服强度分别为470MPa,520MPa和420MPa.它在顶部受到水平循环荷载,在边缘抗拉钢筋屈服之前由力控制,然后由位移控制.样品在弯曲-剪切模式下失效.
图4 混凝土的单轴应力 - 应变关系
图5 钢筋的单轴应力-应变关系
SW1.5-2是一个在边界区域嵌有槽钢的SRC墙.墙的高度为1350mm,截面尺寸为1000mmtimes;150mm.平均混凝土抗压强度为37.5MPa.边界区域的纵向钢筋、腹板、槽钢和箍筋的屈服强度分别为313MPa,380MPa,379MPa,338MPa.在墙的顶部施加500kN的轴向荷载.在顶部施加的循环水平荷载是由位移控制的.试样在弯曲-剪切模式下失效.
SPRCW1,SPRCW2和SPRCW3是设计的杠铃截面墙,以研究SPRC墙的压缩弯曲行为.除了轴向压缩荷载比,所有设计参数
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