钢板混凝土组合剪力墙是由钢板与普通钢筋混凝土剪力墙组合形成的墙体构件, 能够在提供高承载力的同时具有较好的延性^[1], 最早在日本名铁车站大厦中得到应用^[2], 我国较早应用于中国国际贸易中心三期主塔楼^[3]。上海中心大厦为满足建筑墙厚限制、轴压比限制下的承载力和延性要求, 在核心筒底部采用了钢板混凝土组合剪力墙^[4]。近十年来, 国内半数以上的超高层结构采用了钢板混凝土组合剪力墙^[5]。为保证钢板混凝土组合剪力墙在我国应用的安全性, 众多研究人员对其进行抗震性能研究。干淳洁^[6]通过对16片内置钢板混凝土组合剪力墙试件进行低周反复加载试验, 比较了墙体高宽比、墙体厚度、钢板厚度、栓钉配置对剪力墙性能的影响。蒋冬启等^[7,8]通过试验对钢板混凝土组合剪力墙的压弯性能进行研究, 并提出组合剪力墙压弯承载力计算公式。王金金等^[9]采用Marc有限元软件分析轴压比对钢板混凝土组合剪力墙压弯性能的影响。范重等^[10]采用Marc有限元软件对钢板混凝土组合剪力墙的拉弯性能进行研究。郝婷玥等^[11]通过对4个1/4缩尺的内置钢板混凝土组合剪力墙进行了轴压性能试验, 研究高轴压比下钢板混凝土组合剪力墙中钢板与混凝土墙体的协同工作性能。孙建超等^[12]通过对11片钢板混凝土组合剪力墙进行试验研究, 指出钢板与周边不同连接形式下的组合剪力墙承载力和延性差异。程卫红等^[13]通过对6片墙体构件试验提出了钢板两侧部分连接能够改善钢板高强混凝土组合剪力墙的受力性能。马晓伟等^[14]提出了钢板混凝土组合剪力墙正常使用阶段有效刚度的计算方法。王威等^[15]通过试验和数值模拟研究了栓钉对内置钢板混凝土组合剪力墙抗剪性能的影响。

由于内置钢板对混凝土的约束、墙体厚度大等因素, 且内外温差和混凝土收缩共同作用, 钢板混凝土组合剪力墙在实际应用中易出现早期裂缝^[16,17], 主要包括温度裂缝和收缩裂缝, 两者均属于材料性裂缝, 收缩裂缝可等效成温度裂缝 (以下并称温度裂缝) 。针对如何减少钢板混凝土组合剪力墙中的温度裂缝, 钢板预热法^[18]、内置水管冷却降温法、低水化热和低收缩混凝土^[19,20]、提高早期保温保湿养护^[21]等方法被提出和应用, 一定程度上减少钢板混凝土组合剪力墙的早期表观裂缝。

目前的研究主要集中在钢板混凝土组合剪力墙抗震性能的试验验证、承载力计算公式和性能改善方法及如何控制钢板混凝土组合剪力墙的早期温度裂缝, 尚未有早期裂缝对钢板混凝土组合剪力墙抗震性能的影响研究。本文将研究含早期温度裂缝和收缩裂缝钢板混凝土组合剪力墙的抗剪承载力, 基于等效温度裂缝模拟和单向推覆分析方法, 通过参数分析得出裂缝开展程度、轴压比和含钢率对钢板混凝土组合剪力墙抗剪承载力的影响。

含温度裂缝钢板混凝土组合剪力墙抗震性能分析方法与传统剪力墙抗震性能分析方法相比, 需在抗震性能分析前获取裂缝开展初始状态。直接在物理模型上设置初始裂缝较复杂且具有较大的主观性, 因此本文基于混凝土的受拉损伤等效模拟混凝土裂缝。

有限元分析分为2步: (1) 第1步通过约束墙体周边并施加负温度荷载, 分析得出混凝土受拉损伤云图, 即裂缝开展初始状态; (2) 第2步进行推覆分析, 得到剪力墙荷载-位移曲线, 如图1所示。

1) 模型参数钢板混凝土组合剪力墙截面及配筋如图2、表1所示。剪力墙混凝土等级为C60, 端柱纵向受力钢筋等级为HRB400, 端柱箍筋及墙身分布钢筋等级为HPB300, 钢板采用Q235。

2) 有限元模型采用ABAQUS软件进行建模分析, 有限元分析模型如图3所示, 模型中钢板、钢筋和混凝土单元共节点, 未考虑栓钉。混凝土部分采用C38R单元, 钢板采用S4R单元, 钢筋采用T3D2单元。混凝土材料采用弹塑性损伤模型, 钢材和钢筋本构模型采用二折线动力硬化模型。混凝土材料本构参数按GB50010—2010《混凝土结构设计规范》 (2015版) 采用, 钢材本构参数按GB50017—2017《钢结构设计规范》采用。钢材切线模量取弹性模量的1%, 并控制最大塑性应变为0.025。

3) 模型参数验证为验证建模计算的准确性, 将数值模拟得到的LW墙体荷载-位移曲线与试验结果^[22]进行对比, 如图4所示。图4中数值模拟1的曲线是数值计算的原始曲线, 可以看出, 数值结果的初始刚度大于试验结果, 峰值承载力略小于试验结果, 主要原因如下: (1) 有限元模型中混凝土弹性模量、抗压强度的参数设置和试验不完全一致; (2) 试验中钢筋和混凝土墙体间存在滑移, 而有限元模型中认为二者完全绑定, 无相对位移; (3) 试验为往复加载, 且每级荷载有若干次循环, 因此相比单向推覆加载的数值模拟, 混凝土墙体中裂缝发展更充分, 破损更严重, 同等推覆力下对应的位移更大。为减少刚度绝对值对荷载-位移曲线对比结果的影响, 将数值模拟1曲线的位移放大2倍生成数值模拟2曲线, 可以看出, 数值模拟的刚度退化过程与试验基本一致。因此, 采用的模型参数可用于早期裂缝对钢板混凝土组合剪力墙抗剪承载力影响研究的分析中。

以LW墙体为例, 设计轴压比为0.6, 含钢率为2.2%, 混凝土强度等级为C60, 通过设置不同降温温度改变墙体的初始开裂程度, 进而通过后续推覆分析研究不同开裂程度下的剪力墙抗震性能。不同降温温度下的墙体初始受拉损伤云图如图5所示, 可以看出, 降温越多, 墙体初始受拉损伤越严重。经水平推覆后, 不同降温温度下剪力墙最终受压损伤云图如图6所示, 均为剪压破坏。

不同降温温度下剪力墙的荷载-位移曲线如图7所示, 图7中的裂缝数根据图5近似等效得出。由图7可知, 初始受拉损伤 (或等效温度裂缝) 对剪力墙初始刚度的影响不明显, 但影响剪力墙的抗剪承载力峰值。峰值承载力与等效裂缝数的关系如图8所示, 可以看出, 低含钢率的低矮剪力墙在高轴压比下的抗剪承载力峰值随初始裂缝数的增加而降低, 但降低程度较小, 单位长度墙体含≤3条裂缝时, 抗剪承载力峰值下降至10%以内。

1) 矮墙以LW墙体为例, 含钢率为2.2%, 混凝土强度等级为C60, 产生初始等效温度裂缝的降温均为-50℃, 通过后续推覆分析研究不同轴压比下的剪力墙抗震性能。不同轴压比下的墙体初始受拉损伤云图如图9所示, 可以看出, 轴压比对剪力墙初始受拉损伤程度的影响不明显。经水平推覆后, 不同轴压比下剪力墙最终受压损伤云图如图10所示, 轴压比<0.2时为弯剪破坏, 轴压比≥0.2时为剪压破坏。

不同轴压比下剪力墙的荷载-位移曲线对比如图11所示, 不同轴压比下剪力墙的抗剪承载力峰值下降程度对比如图12所示, 可以看出, 单位长度墙体含3条裂缝的低含钢率低矮剪力墙抗剪承载力峰值下降程度对轴压比不敏感。

2) 高墙以HW墙体为例, 含钢率为2.2%, 混凝土强度等级为C60, 产生初始等效温度裂缝的降温均为-30℃, 通过后续推覆分析研究不同轴压比下剪力墙的抗震性能。不同轴压比下墙体初始受拉损伤云图如图13所示, 可以看出, 轴压比为0.4时, 剪力墙受拉损伤带略多。经水平推覆后, 不同轴压比下剪力墙最终受压损伤云图如图14所示, 轴压比为0.2时为弯剪破坏, 轴压比≥0.2时为剪压破坏。

不同轴压比下剪力墙的荷载-位移曲线对比如图15所示, 不同轴压比下剪力墙抗剪承载力峰值下降程度对比如图16所示, 可以看出, 低含钢率的高剪力墙抗剪承载力峰值下降程度对轴压比不敏感。

不同轴压比下, 矮墙和高墙的抗剪承载力峰值下降程度如图17所示, 可以看出, 矮墙和高墙的抗剪承载力峰值下降程度较接近, 均对轴压比不敏感。

根据JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》可知, 钢板混凝土组合剪力墙的钢板厚度不宜大于墙厚的1/15, 即组合剪力墙的含钢率宜≤6.67%。以LW墙体为例, 混凝土强度等级为C60, 含钢率为6.6%, 产生初始等效温度裂缝的降温均为-50℃, 不同轴压比下的剪力墙荷载-位移曲线对比如图18所示。同等降温下, 不同含钢率的低矮剪力墙在不同轴压比下的抗剪承载力峰值下降程度对比如图19所示, 含钢率为2.2%的计算结果与图1 2 相同, 可以看出, 高含钢率的低矮剪力墙抗剪承载力峰值下降程度小于低含钢率剪力墙。

采用有限元分析方法对含温度裂缝的钢板混凝土组合剪力墙抗剪承载力进行研究, 通过降温生成等效初始温度裂缝后, 进行水平推覆加载获得了剪力墙的荷载-位移曲线, 通过不同参数模型间的对比, 主要得到以下结论。

1) 低含钢率的低矮剪力墙在高轴压比下的抗剪承载力峰值随初始裂缝数的增加而降低, 单位长度墙体≤3条裂缝时, 抗剪承载力峰值下降约10%。

2) 单位长度墙体含≤3条裂缝低含钢率的剪力墙抗剪承载力峰值下降程度对轴压比不敏感。

3) 单位长度墙体含≤3条裂缝时, 高含钢率的低矮剪力墙抗剪承载力峰值下降程度小于低含钢率剪力墙。

虽然由上述分析结论可知, 早期温度及收缩裂缝对钢板混凝土组合剪力墙的抗剪承载力影响较小, 但裂缝的存在会降低墙体的耐久性、影响用户观感, 因此实际工程中需控制裂缝开展, 对已开展的裂缝应采取修补措施。