设置核心型钢管混凝土端柱的短肢剪力墙结构非线性有限元分析

摘要

钢-混凝土组合短肢剪力墙是一种新型的短肢墙结构，对该结构的抗震性能、分析理论和设计方法的研究处在起步的阶段，因此开展对钢-混凝土组合剪力墙的深入研究成为工程亟需。本文在短肢剪力墙中配置核心型钢管混凝土端柱，由此构成的这种新型结构有钢筋混凝土短肢剪力墙结构的特点之外，同时具有钢-混凝土组合结构的优点。
　　 本文在同一课题组已完成试验研究成果的基础上，采用通用有限元软件ABAQUS对设置核心型钢管混凝土端柱的短肢剪力墙在低周反复水平荷载下作用和单调水平荷载作用下的受力性能进行非线性分析。主要工作有：
　　 1、对钢-混凝土组合剪力墙结构的研究现状进行综述，并介绍了通用有限元软件ABAQUS，对所采用的混凝土损伤塑性模型进行了分析。
　　 2、采用通用有限元软件ABAQUS，建立与试验一致的设置核心型钢管混凝土端柱的短肢剪力墙试件在低周反复荷载下的三维非线性有限元分析模型，在分析论证的基础上合理选用材料本构和损伤本构模型。
　　 3、对与实验相同的3个试件进行了低周反复水平荷载作用下的非线性有限元计算，从破坏过程、滞回性能、承载能力、刚度退化、延性等方面进行了详细的分析研究。
　　 4、最后利用已经校验过的非线性有限元模型，对设置核心型钢管混凝土端柱的短肢剪力墙结构在单调水平荷载下轴压比改变和核心混凝土强度改变对其抗震性能的影响进行了细致的分析研究。
　　 以下为研究所获得的主要结论：
　　 1、设置核心型钢管混凝土端柱的短肢剪力墙试件的受力经历了全截面受压、裂缝出现和开展阶段、屈服阶段、破坏阶段等过程，各阶段的受力特征及最终的破坏形态均与试验情况较相符。各试件骨架曲线及特征荷载、位移与试验成果吻合较好，其中特征荷载基本略大于试验的结果，且偏差程度较小。可见本文非线性仿真分析所采用的计算模型是可行的。
　　 2、在端柱中设置核心型钢管混凝土时，可使钢管内混凝土形成约束混凝土核心束，一定程度地提高了试件的承载力，其中对开裂荷载的提高程度最大，对提高屈服和极限荷载作用有限；再在腹板中设置斜撑也能一定程度提高试件的承载力。
　　 3、在端柱中设置核心型钢管混凝土，会使试件的特征位移有不同程度的提高，但作用效果不大，相比起来，在腹板中设置斜撑则能更好的增大特征位移，利于提高试件的变形性能。
　　 4、在端柱中设置核心型钢管混凝土的短肢剪力墙的刚度衰减过程较为缓慢，耗能性能好，两个试件的延性系数均得到了提高。再联合配置斜撑则能更有效的降低试件受力后期的强度退化的速率，进一步提高延性系数。
　　 5、增大轴压比能够有效增大试件的极限承载力，但同时会降低试件的特征位移，使试件的变形能力显著降低。
　　 6、端柱中配置核心型钢管混凝土的短肢剪力墙在高轴压比下延性系数能满足规范要求，但延性损失较大，建议轴压比在0.5～0.7之间，可以同时获得较理想延性和较大承载能力。
　　 7、随着钢管内核心混凝土强度的增大，开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和破坏荷载都有所增大，但增幅依次减小；随着核心混凝土强度的增大，试件变形能力减小，延性性能降低。在实际工程应用中，宜综合考虑承载力及延性等方面的需求进行核心混凝土强度等级的选择。