波形板混凝土组合墙抗震性能的有限元分析

吴 涛，杨 旭，彭剑锋，高 怡，胡 钢

(苏州科技大学土木工程学院,江苏 苏州 215011)

波形钢板混凝土组合墙是基于平钢板混凝土组合墙发展起来的一种新型组合结构，主要有两种构造形式：波形钢板的内置和外置。波形钢板的内置可以为外包混凝土提供单向约束，可以提高混凝土的强度和延缓其剥落，同时混凝土可以增强波形板防屈曲能力，增强延性；
波形板的外包可以提高约束混凝土的强度和延性，同时波形板与混凝土的黏结力可以延缓波形板的鼓曲。由于两者的组合效应显著的特点，其广泛应用于各种结构体系当中。

近年来，有很多学者对波形钢板混凝土组合墙进行了大量研究。2001年，Wright[1-2]和Hossain等[3]为了研究压型钢板与混凝土的组合受力效果，设计制作了压型钢板外包混凝土的组合剪力墙试件，并对试件进行了水平荷载下的往复加载。试验结果显示，压型钢板在加载过程中极易发生局部屈曲，造成压型钢板与混凝土的组合效应不明显，试件承载力较低。2011年，Mydin[4]和Prabha等[5]对双层波纹钢板混凝土组合剪力墙进行了轴压力学性能的研究，结果显示边缘约束件的设置能够提高组合墙的极限承载力，设置对拉螺栓能够对波形钢板起到限制钢板鼓曲的作用。2015年，Rafiei等[6]对双层波纹钢板组合剪力墙进行了抗剪性能的研究，分析混凝土强度、钢板强度和约束构件对组合剪力墙抗剪能力的影响研究。研究结果显示，采用高强度混凝土和钢板可以提高组合剪力墙的抗剪承载力，适当设置约束构件可防止波纹钢板早期弹性屈曲造成的破坏。2018年开始，王威等[7-9]课题组先后研究了水平、竖向放置的波形钢板-混凝土组合剪力墙与平钢板-混凝土组合剪力墙在抗震性能上的差异，并利用ABAQUS软件对其轴压性能进行非线性分析，然后采用ANSYS软件对波形钢板-混凝土组合剪力墙进行了参数化分析，结果表明，波形钢板水平、竖向放置的组合剪力墙比平钢板的钢板与混凝土的黏结效果强，混凝土剥落程度低。2018年，王凯杰[10]为了研究波纹钢板相较于平钢板的性能优势，对一个双层平钢板-混凝土组合剪力墙和两个双层波纹钢板-混凝土组合剪力墙进行了低周往复加载试验，对比分析了三个试件的破坏模式和抗震性能。结果显示，采用波纹钢板代替平钢板可以提高组合剪力墙的承载力、耗能能力及延性。2019年，费建伟等[11]研究了波形钢板组合墙在不同边界条件下的弹性屈曲能力，给出了临界力公式。2020年，清华大学郭彦林等[12]对剪力墙的发展和受力机理进行了系统的综述，着重阐述了波形钢板剪力墙及其组合墙的多种形式的设计理论和研究成果。2021年，张冯霖等[13]提出一种L形双波纹钢板混凝土组合剪力墙，试验结果表明，该类型组合剪力墙属于压弯破坏，抗震性能良好。王宇伟等[14]课题组对T形截面波形钢板-混凝土组合墙的研究进展进行了阐述，介绍了截面强度稳定承载力计算公式，分析了波形钢板组合墙的有限元建模方法。孙志杨等[15]采用有限元分析了波形钢板组合墙的稳定性和螺栓抗剪能力，结果表明混凝土与波形钢板的协同工作可以分担螺栓的抗剪承受力，提高组合墙稳定性。李清华等[16]采用数值模拟对波形钢板混凝土组合墙进行了分析，并与平钢板组合墙进行对比，分析结果显示，波形钢板混凝土组合墙的抗震性能优于平钢板，工字形双层波形钢板组合墙的抗震性能>T形>L形。叶昕等[17]研究了双波纹钢板-混凝土组合剪力墙在爆炸作用下的破坏特征，考虑波纹对齐方式、密度及深度等参数对组合剪力墙抗爆性能的影响。陈宗平等[18]对比分析了平钢板与波形钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能及其影响因素，结果显示，波形钢板组合剪力墙的抗震性能较好，轴压比和剪跨比对组合剪力墙的承载力与初始刚度有较大影响。

目前，我国对于波形钢板混凝土组合墙的研究应用较多为高层结构，本文基于国家大力推进新农村建设的需要和顺应国家着力发展装配式建筑的趋势，课题组提出了采用两块波形钢板对扣波谷接触部分螺栓连接而波峰形成暗柱空腔的墙体骨架，再在暗柱空腔和波谷内浇筑混凝土的新型双层波形板-混凝土组合墙，采用有限元软件ABAQUS研究波形钢板的不同组合类型对其组合墙抗震性能的影响。

试件高度选为1.2 m。组合墙两端设置有边缘约束构件，考虑波形钢板截面尺寸等影响，采用100 mm×60 mm×4 mm和100 mm×40 mm×4 mm两种与波形钢板截面一致的槽钢作为组合墙的边缘约束构件，能够有效避免引起组合墙变形不一致等不利影响。波形钢板规格选用YXB-50 mm-180 mm-720 mm，钢板厚度为2 mm，槽钢与波形钢板均选用Q235钢材。组合墙由4块相 同规格的波形钢板对扣波谷接触部分螺栓连接，而波峰形成暗柱空腔的墙体骨架，再在暗柱空腔和波谷内浇筑混凝土组成新型双层波形板-混凝土组合墙，对拉螺栓直径采用8 mm，且对拉螺栓在波谷处留有一定长度，可以增强波形钢板与混凝土的黏结力，提高两者的共同工作性能。试件所用浇筑混凝土选用C25细石混凝土。试件与加载梁、地梁的连接通过连接件进行连接，连接件由两块厚6 mm钢板和一块厚20 mm的钢板焊接而成，如图1所示。通过高强螺栓把组合墙与加载梁、地梁和连接件共同组装。具体各部件的组成及材料使用情况见表1。

表1 构件组成

2.1 设计参数

考虑波形钢板组合类型建立两个组合墙模型，图2为波形钢板组合类型尺寸详图，组合墙设计参数见表2。

表2 模型试件参数

2.2 模型组装

按照设计尺寸分别建立波形钢板、混凝土、对拉螺栓、高强螺栓、连接件、边缘槽钢件、地梁及加载梁，其中波形钢板为壳单元，其余部件采用实体单元，按照步骤将各部件组装为组合墙体，单元划分网格后的模型见图3。

2.3 接触面和边界条件处理

混凝土分为波峰腔和波谷腔两部分，波形钢板与波峰腔混凝土表面采用绑定连接，波谷腔混凝土与波形钢板接触面的切向接触采用库仑罚摩擦，法向接触定义为“硬接触”，接触摩擦系数取0.6；
对拉螺栓内嵌在混凝土内部，且螺帽与波形钢板绑定连接；
波形钢板与槽钢采用绑定连接；
连接件与地梁、加载梁采用绑定连接，高强螺栓螺杆表面与混凝土孔洞表面、连接件表面接触为“硬接触”，螺帽与连接件接触表面摩擦系数为0.3。本模型中地梁为完全固定，即约束X,Y,Z三个方向的自由度和转动自由度。在加载梁中心设置一个参考点RP-1，该参考点与加载梁中间截面耦合约束，通过约束参考点RP-1的Y方向自由度和X,Z方向的转动自由度，以此来保证墙体和加载梁发生平面内的转动。

2.4 材料本构

本模型中混凝土本构采用GB 50010—2010混凝土结构设计规范(2015年版)[19]中所示的混凝土单轴应力-应变关系曲线。钢材本构选取双折线模型。

2.5 分析步与加载方案

本模型共有3个分析步：Step1为预紧力的施加，通过螺栓荷载来设置；
Step2为轴压力的施加，保持预紧力恒定，对加载梁参考点RP-1施加不同轴压比下的竖向荷载；
在Step3中施加水平往复荷载，保持预紧力与竖向荷载恒定，对耦合点RP-1按位移加载方式进行加载：分别取试件整体相对侧移的0.375%(5 mm)，0.5%(7 mm)，0.75%(10 mm)，1.0%(14 mm)，1.5%(21 mm)，2.0%(28 mm)，2.5%(36 mm)，3.0%(44 mm)进行加载。因为材料属性定义的特殊性，ABAQUS模型的破环特征不会随加载级内循环次数增加而发生改变，本模拟所有加载级仅循环一圈。

3.1 滞回曲线

图4为两个试件的滞回曲线对比，试件DCSW2的承载力幅值大于试件DCSW1。加载初期，两个试件滞回曲线均呈线性，卸载后基本可以回到坐标原点，无残余变形；
进一步加载，墙角出现应力集中，混凝土局部压溃，出现残余变形，滞回环面积增大；
加载至δ=1%时，波谷腔混凝土逐渐剥落，波峰腔底部混凝土压碎，有明显的“捏缩”，曲线变得平缓，滞回环包围面积加大，耗能增强；
进一步加载至结束，波谷腔混凝土剥落和波峰腔混凝土压溃范围逐渐扩大，试件承载力上升缓慢，捏缩效应显著，耗能不断增强。

3.2 骨架曲线

图5为两个试件的骨架曲线对比图，从图5可明显看出试件DCSW2的承载力高于试件DCSW1。当试件层间位移δ=2%时，试件DCSW2的荷载是试件DCSW1的1.2倍，结果表明，波形板的组合类型对组合墙的承载力影响较大，空腔暗柱越大，组合墙的承载力越高，表明暗柱是组合墙的主要抗侧力构件。

3.3 抗侧刚度退化

由图6可知：暗柱尺寸较小的试件DCSW1的初始峰值刚度为70.14 kN/mm，暗柱尺寸较大的试件DCSW2的初始峰值刚度为83.67 kN/mm,由此可见，试件DCSW2的刚度要比试件DCSW1的刚度大，这是由于波形板波峰形成空腔暗柱尺寸的不同导致组合墙的水平承载力有所区别，当试件在水平荷载下，波峰腔混凝土由于被波形钢板包围，处于三向受压的状态，提高了混凝土的受压性能；
试件加载至墙体侧移δ=0.375%时，峰值刚度退化22%，这是因为随着加载的进程，墙体角部波谷腔混凝土逐渐脱落和波峰腔混凝土压溃失效，墙体整体性遭到破坏导致的组合墙刚度退化；
随着水平位移的增加，混凝土受损逐渐累积，波形钢板逐渐屈服变形，墙体底部螺栓群周围的混凝土和波形钢板在循环荷载作用下累积变形破坏，直至加载至墙体侧移δ=2%时，峰值刚度退化75%；
随着侧移的继续增加，墙体混凝土脱落和压溃范围进一步扩大至墙体中部，波形钢板变形进一步增大，墙体底部混凝土大面积压溃，刚度退化加快，直至加载结束。

3.4 耗能能力

耗能能力是衡量结构抗震性能的重要指标。本文将采用等效黏滞阻尼系数ζeq来作为衡量结构耗能能力大小的指标。由图7可知，双层波形板-混凝土组合墙试件DCSW1在加载初期，其耗能主要来自于混凝土骨料之间的挤压以及墙体角部小部分混凝土的压碎；
加载至侧移δ=0.5%时，各试件耗能较小，是因为随着墙体位移的增大，水平荷载也在逐渐增加，组合墙受压区也在逐渐扩大，混凝土的损伤得到缓冲，因此耗能不大；
随着进一步加载，组合墙波谷腔混凝土逐步压溃发挥耗能减震功效，墙体角部混凝土由于反复拉压遭到破坏，局部混凝土被压溃耗能，被压溃的波峰腔混凝土由于被波形钢板和边缘槽钢件包裹，并未脱离墙体，在下一次加载中相互挤压提供耗能，直至加载结束；
从图7中还可以看出，试件DCSW1的耗能较优于试件DCSW2，分析其原因，是因为试件DCSW1的波形板波峰形成空腔暗柱尺寸较小，同时波形钢板配合形成的波谷空腔尺寸比试件DCSW2大，而组合墙在加载过程中很大一部分的耗能是由波谷腔混凝土的剥落所提供的。

3.5 应力分析

试件混凝土最小主应变云图和波形钢板应力云图如图8所示。

试件受理进程中均表现为波谷腔混凝土率先剥落，组合墙转化为暗柱结构抗侧，随后波峰腔混凝土逐步压溃，波形钢板屈服变形，直至破坏。试件DCSW1的波形钢板屈服变形比试件DCSW2明显，表明暗柱尺寸较小的组合墙中波形钢板贡献比例较大。

1)波形板波峰形成空腔暗柱是影响双层波形板-混凝土组合墙抗震性能的重要因素，空腔暗柱大，组合墙的水平承载力和抗侧刚度提高，而耗能能力减弱。

2)组合墙抗震性能良好，各试件受理进程均表现为波谷腔混凝土率先剥落耗能，组合墙转化为波峰形成的暗柱抗侧，随后波峰腔混凝土逐步压溃失效。