采用矩形钢套筒改善SRC中高剪力墙变形性能的方法研究

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在实际工程中,型钢混凝土(SRC)中高剪力墙大量存在,其工程应用存在的主要问题是在水平作用下的极限变形能力偏小,特别是在高轴压比下,很难满足规范的要求。国内外研究者提出了很多改善SRC中高剪力墙极限变形能力的措施,大部分改善措施虽然能够较好地改善中高墙的极限变形能力,但施工过程却比较复杂,影响了实际工程应用。  本课题组前期的试验研究结果表明:通过在SRC中高剪力墙边框底部一定范围内设置矩形钢套筒,对受压边框底部及其附近混凝土进行约束,可以有效提高剪力墙极限变形能力。但是由于试验数量的限制,试验只能定性反映钢套筒对SRC中高剪力墙极限变形能力的改善效果,不能给出可供工程实际参考的设计方法。本文以试验研究成果为基础,利用ABAQUS软件平台建立带钢套筒SRC剪力墙的有限元分析模型,进行单调荷载作用下的全过程模拟,研究钢套筒的适用范围,以及钢套筒的高度、宽度和套筒自身的构造等对墙体变形性能的影响,进而提出钢套筒的具体设计方法,供实际工程应用参考。  本文进行的主要工作和得出的主要结论如下:  (1)基于6个矩形钢套筒约束混凝土短柱的受压试验研究,结合有限元模拟分析,给出了矩形钢套筒对混凝土有效横向约束力的计算方法,借用Mander模型,进一步提出了受约束混凝土单轴受压应力-应变计算模型。该模型能够较准确地考虑矩形钢套筒对混凝土的约束作用,并能够用于设置钢套筒的SRC中高剪力墙有限元模拟中。  (2)利用ABAQUS平台,建立了SRC剪力墙的有限元模型,通过与试验结果对比表明,该模型能够较准确地预测带钢套筒和不带钢套筒的SRC剪力墙的荷载-位移曲线、破坏模式等主要特性。分析表明,中高剪力墙剪切变形明显,因此在进行中高剪力墙的极限变形能力分析时,不宜采用平截面假定。  (3)进行SRC剪力墙破坏模式的影响参数分析,确定了矩形钢套筒改善SRC剪力墙变形性能的适用范围。研究结果表明,剪跨比和暗柱区含钢率是影响SRC剪力墙的破坏模式的主要因素,剪跨比较低和暗柱区含钢率较高的SRC剪力墙,其破坏模式为腹板区首先剪压破坏。采用矩形钢套筒约束约束区混凝土的方式只适合于弯曲破坏或弯剪破坏但以弯曲破坏为主导的墙体,不适合腹板区首先剪压破坏的墙体。  (4)对钢套筒的设计方法进行了研究,提出了钢套筒的高度、宽度和套筒自身的构造设计建议。研究结果表明,为保证钢套筒对混凝土形成有效的约束,钢套筒的截面构造、钢板宽厚比等可以参照《矩形钢管混凝土结构技术规程》的相关规定进行设计;为避免套筒顶部的非约束区混凝土发生破坏,钢套筒应该满足最低的高度限值,套筒高度限值受到套筒宽度、剪跨比和轴压比等因素的影响;钢套筒的宽度可以参照《抗规》中约束边缘构件的水平长度进行取值。
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