广东工业大学土木与交通工程学院：钢板混凝土组合剪力墙力学性能研究

广东工业大学土木与交通工程学院

总结

目前，钢板-混凝土组合剪力墙的研究主要集中在抗震性能上，对其轴向抗压性能和连接螺柱的力学特性的研究较少，但缺乏对不同参数下螺柱力学特性的研究。螺柱充当剪切连接器，使钢板和混凝土协同工作，以最大限度地提高两者的性能。但是，在测试中很难测量螺栓的受力机制。为解决这一问题，根据前人的试验研究资料，进一步研究了钢板-复合材料剪力墙的极限承载力和不同参数下螺栓的抗剪机构，在钢-板-混凝土-复合材料墙轴压试验的基础上，利用ABAQUS软件建立了钢-板-混凝土-复合材料剪力墙的有限元模型， 开展了广泛的变参数分析，研究了不同参数下的锚杆受力分析和极限承载力，为工程设计提出了建议。

在有限元模型中，混凝土、钢板和螺栓由 C3D8R 实体进行模拟，以建立精细化模型。混凝土本构关系模型选自 ABAQUS 软件提供的混凝土塑性损伤模型。钢与螺柱的本构关系采用二折线模型。该模型不包含上下端板，而是使用“刚体”约束对载荷板进行建模，在上下截面的中心建立两个参考点 （RP），为两个 RP 分配边界条件，并在 RP 上方向下施加载荷。钢板和混凝土芯的上下表面除上端的位移外，在所有自由度上固定。在接触方面，主要部件之间采用一般接触，法向为硬接触行为，对于切向接触行为，本研究使用μ 0.6 的摩擦系数。为避免剪切锁定，通过扫掠啮合技术将所有零件分成规则的形状，然后输入种子数量，手动分割种子，得到一个规则的六面体。其中，钢板的厚度需要人工划分为两层厚度，部分难以规则的网格也要人工划分规则，并将孔的位置划分为四个网格，最终划分形状后划分网格具有良好的计算进度和效率。在模拟试件中钢板的屈曲变形，验证有限元建模过程的合理性和分析结果的可靠性后，建立了13个有限元变参数模型，研究了试件的极限承载力和不同参数下螺柱的受力机理。

参数分析结果表明，所选的本构关系、接触关系和边界条件等有限元参数能较好地模拟钢-混凝土组合剪力墙的位移加载和破坏过程，钢板的荷载-位移曲线和屈曲规律与试验现象一致。长高比 L/H、混凝土强度和钢强度对试件的极限承载力影响很大，且影响基本呈线性，长高比较小可以提高构件的延性，螺柱强度对试件的极限承载力影响不大。较小的长高比和高强度混凝土与螺柱的协同能力更强;螺栓的应力集中在根部，钢板的强度与螺栓的强度一致，螺栓的根应力可以达到较大的值，螺栓的剪切性能更充分，与混凝土的协同作用更强。

钢板复合剪力墙由两块钢板和中间填充的混凝土组合而成。国内外学者对钢板组合剪力墙的静力和抗震性能进行了试验研究和数值分析，结果表明，混凝土和钢板上的连接件（如螺栓、拉力螺栓和加强筋）可以有效提高钢板的稳定承载能力。钢板复合剪力墙已用于天津高银 117 大楼和核电站等复杂结构。

然而，目前的研究主要集中在钢板复合剪力墙的抗震性能上，对其轴向压缩性能和连接件螺栓的力学特性的研究较少，对不同参数下螺栓的力学特性的研究不足。作为剪切连接件，螺柱使钢板和混凝土协同工作，以充分发挥两者的最大性能，但在测试中很难测量螺柱的受力机构。为解决这一问题，本文基于张友佳等人的试验结果和相关文献的有限元仿真结果，利用ABAQUS软件建立了钢板组合剪力墙在轴压条件下的有限元模型，对有限元仿真结果进行了修正，并进行了广泛的变参数分析， 研究了不同参数下螺栓的应力分析和极限承载力，为工程设计提出了建议。因此，本文分析了长高比、混凝土强度、钢板强度和螺栓强度等多个参数，研究了各参数下螺栓的应力特性。

1 试用概述

为验证有限元模型的有效性和合理性，对文献报道的钢板混凝土组合墙进行了轴压试验。试件共有 4 个，试件的尺寸和样式如图 1 所示，加载装置如图 2 所示，材料性能测试见表 1，测试结果见表 2。混凝土立方体的抗压强度为 32.6 MPa。

a—SCW-1; b—SCW-2; c—SCW-3; d—SCW-4。

图 1 试样尺寸

图 2：加载装置

表 1：材料性能测试结果 MPa

注： FY 代表钢的屈服强度;FU 代表钢的极限抗拉强度。

表 2：测试部件的承载能力

注： 节距厚度比表示螺栓间距与钢板厚度的比率。

2. 有限元分析

首先，对钢-混凝土组合剪力墙的有限元模型进行仿真;通过将钢板的位移-极限载荷和屈曲模拟与文献中的测试结果进行比较，验证了有限元模型。一旦验证了有限元建模的合理性和结果的可靠性，就在不同参数下进行螺柱力研究，包括长高比 L/H、混凝土强度、钢板强度和螺柱强度。

2.1 有限元模型说明

有限元模型是使用 ABAQUS 有限元软件开发的。已经表明，初始缺陷和残余应力仅对空心杆件的行为产生重大影响。对于钢板-混凝土组合剪力墙，局部缺陷和残余应力的影响通过混凝土填充最小化，因此在当前的有限元模拟中被忽略。Tao Zhong 等人的研究也证实了这一点。

2.1.1 几何体和网格

核心混凝土、钢板和螺柱使用 C3D8R 单元和实心 8 节点折固积分进行建模。此外，值得指出的是，执行网格敏感性分析以找到合适的网格尺寸。有人指出，合理的网格密度是两种不同网格密度前后的分析结果之差不超过 5%，并且具有合理的计算时间。因此，为了提高计算效率，将钢板和螺栓的网格划分为 20 mm，将混凝土实体单元的网格划分为 40 mm。所有网格都通过 ABAQUS 中的扫掠网格划分技术进行网格划分，如图 3 所示。钢板和螺柱组合成第 1 部分，混凝土分为第 2 部分，而每个部分被分成规则的形状。

a - 混凝土网格划分;b - 钢板网格划分;c - 螺栓网格划分。

图 3：网格划分

2.1.2 具体本构关系模型

混凝土本构关系模型主要是指混凝土材料在多轴应力状态下的应力-应变关系。为了更好地模拟约束混凝土的力学性能，选择了 ABAQUS 软件提供的混凝土塑性损伤模型作为混凝土本构关系模型。该模型能准确模拟混凝土的两种主要破坏模式：撕裂开裂破坏和压缩破碎破坏。采用了 Lubliner 等人和 Lee 等人提出的屈服面以及 Hillerborg 等人提出的断裂能准则。屈服应力为 2.49，断裂能为 0.08。

在模型的设置参数中，所选的塑性损伤模型采用非相关流动法则，塑性势面函数中的具体膨胀角为 38°，偏心率为 0.1。混凝土屈服面的双轴极限抗压强度与单轴极限抗压强度之比 σb0/σc0 为 1.16。参数 K 控制混凝土屈服面在部分平面上的投影形状，其值为 2/3。为了提高模型在软化阶段的收敛速度，将黏度参数选择为 1.0 ×10-5。混凝土的弹性模量是根据 ACI 提供的公式计算的：

其中： F'c 是混凝土圆柱体的抗压强度。

混凝土的泊松比取为 0.2。当竖向荷载施加到钢板混凝土结构上时，由于填充混凝土的横向变形受到外钢板的约束，使其处于三向压应力状态，力学性能大大提高。损伤系数采用了李伟提出的公式。

a — 压力下;b — 张力。

图 4 混凝土的应力-应变曲线

2.1.3 钢本构关系模型

ABAQUS 的各向同性弹塑性模型用于模拟钢的力。钢材的单轴应力-应变关系取自欧洲规范EC3提出的双多边形模型，弹性段的斜率为E=2.06×105 MPa，钢筋段的斜率为0.01E。如图 5 所示，σ 和 ε 是钢的应力和应变，εy 是屈服拉伸应变，FY 是屈服强度，εu 是极限拉伸应变，Fu 是拉伸强度，泊松比为 0.3，钢板的强度等级如表 3 所示。

图 5 钢的单轴应力-应变曲线

表 3：测试数据与有限元模型的极限载荷比较

2.1.4 边界条件和相互作用

图 6 所示的有限元模型不包含上下端板，而是使用“刚体”约束对载荷板进行建模，有两个参考点 （RP），位于上下横截面的中心。边界条件分配给两个 RP，而载荷则向下施加在 RP 上方。钢板和混凝土芯的上下表面除上端的位移外，在所有自由度上固定。这是 Tao Zhong 等人之前发现的，并且该方法可以模拟端板。后来，Ding 等人也证实了这一点。

此外，混凝土核心（第 2 部分）和钢板螺栓（第 1 部分）之间的相互作用采用通用接触，法向为硬接触行为，对于切向接触行为，本研究使用摩擦系数μ值为 0.6。

a — 第 1 部分;b — 第 2 部分;c — 总体。

图 6 有限元几何

2.2 有限元模型的验证

有限元计算结果和测试结果的位移-载荷曲线如图 7 所示。由此可见，有限元试件的峰值载荷与试验吻合较好，SCW-1和SCW-3的有限元位移载荷基本大于试验载荷值，这是由于有限元试件的理想状态所致。相关文献表明，SCW-4试件在加载后期存在失稳破坏，使得有限元模拟值小于实验值，载荷迅速下降，因此两者在降序段不一致。在弹性应力范围内，所有试件的初始刚度也吻合较好，可以较好地模拟试件的初始刚度。综上所述，本文的有限元模型能够较好地模拟钢板组合剪力墙的轴向压缩特性。此外，从有限元模型和测试数据的比较（表 3）还可以发现，有限元值 Nu 和 FEA 与测试极限载荷 Nu，exp 吻合较好。

a—SCW-1 试样;b—SCW-3 试样;c—SCW-4 试样。

图 7： 实验值和有限元模拟值的应变-载荷曲线

2.3 模拟屈曲

通过有限元建模，U1（单元节点在 x 轴上的位移）用于反映钢板的局部屈曲。钢板屈曲的实验现象取自文献。从图8中可以看出，ABAQUS仿真模拟的钢板屈曲部分与试验观察基本一致，再次证明了本文建立的有限元模型能够准确模拟钢板组合剪力墙的力学性能。

在测试过程中，SCW-1 和 SCW-3 在中板表现出典型的屈曲。并且在有限元中可以看出，有限元试样的中间也发生了屈曲，这与测试一致。SCW-1 的最大位移为 21.95 mm，SCW-3 的最大位移为 17.80 mm。

由于试验过程中 SCW-4 加载后期局部塌陷，试验现象不清晰，无法在有限元中进行模拟。在有限元分析中可以看出，SCW-4试件的最大位移为2.77 mm，且均匀分布在中间。钢板与混凝土的位移差为 1.02 mm，即钢板在有限元内没有屈曲，与测试现象一致。由此可见，在螺栓间距较小的情况下，可以保证钢板与混凝土的协调工作。

a—SCW-1 中钢板 U1 方向的位移和截面;b—SCW-3 中钢板 U1 方向的位移和截面;c—SCW-4 钢板 U1 的位移和截面。

图 8： 钢板屈曲模拟

3. 参数分析

基于上述有限元模型参数设置，分析了所有变量参数研究的结果，分析了13个仿真模型的极限载荷和螺栓受力特性，并将数值总结于表4中。

表 4：可变参数研究的结果

注：相关文献表明，当节厚比大于 60 时，试件容易出现局部失稳，因此本文变参数模型中螺柱的节厚比为 31，墙体钢板厚度为 5 mm，两侧钢板厚度为 8 mm， 试样的厚度为 230 毫米。

3.1 长高比

通过改变钢板组合剪力墙的长度L，研究了不同长高比L/H对双层钢板组合剪力墙轴压作用下极限承载力的影响，以及不同长高比L/H下的螺柱应力。从图 9a 中可以看出，复合剪力墙的轴向压缩载荷-位移曲线随着 L/H 的增加而增加，并且在相同的材料强度下几乎呈线性增加。当 L/H=1 较大时，构件的承载力在峰值载荷后急剧下降，容易发生脆性破坏，这可以说明较小的长高比可以适当提高构件的延性。此外，从有限元试件的应力等值线图（图 9b、c、e、f）可以看出，不同长高比的试件表现出均匀规律，即螺栓根部的应力更大。由此可见，作为柔性剪切连接件，螺栓根部的抗剪承载力是其主要的应力形式。

从图 9e 和图 9f 中可以看出，C4 试件根部的最大应力（长高比较小）几乎接近钢板的最大应力，最大应力可达 238.5 MPa。结果表明，随着长高比的减小，钢板和混凝土的协同工作能力更强，螺栓传递的剪力会更大。

a—长高比对载荷-位移曲线的影响;b—C1试件在极限载荷作用下的应力等值线，MPa;c—C2试件在极限载荷作用下的应力等值线图，MPa;d—长高比对极限承载力的影响，MPa;e—C3试件在极限载荷作用下的应力等值线图;f—C4试件在极限载荷下的应力等值线图，MPa。

图 9：不同长高比的有限元试样的数值模拟

3.2 混凝土强度

通过改变混凝土强度，观察了复合剪力墙混凝土强度的极限承载力和支柱的应力。从图 10a 和图 10b 中可以看出，随着混凝土强度的增加，虽然初始刚度保持不变，但有限元模型的承载力显著提高，混凝土强度和极限承载力呈线性增加。从极限承载力阶段 4 个试件的应力等值线（图 10b、c、e、f）可以看出，在相同条件下，随着混凝土强度的增加，锚杆根部应力显著增大，当混凝土强度等于 60 MPa 时，锚杆根部应力接近试件的最大应力， 见图 10f。这表明高强度混凝土和螺柱之间的协同作用很强。

a—混凝土强度对荷载-位移曲线的影响;b—极限荷载作用下的C1试件应力等值线，MPa;c—C5试件在极限载荷作用下的应力等值线图，MPa;d—混凝土强度对极限承载力的影响;e—C6试件在极限载荷作用下的应力等值线图，MPa;f—C7 试件在极限载荷下的应力等值线图，MPa。

图 10： 不同混凝土强度的有限元试件的数值模拟

3.3 钢板强度

随着钢板强度的增加，有限元模型中的极限承载力在一定程度上得到提高，钢板的强度随试件的极限承载力呈线性增加，见图 11a、d。从相关文献中可以看出，在试件的极限承载力中，螺柱的最大应力集中在螺柱的中部。从每个试件中间的局部应力等值线图（图 11）可以看出，在 C7 试件中（当钢板的强度等于螺柱的强度时），钢板根部和螺柱可以同时达到 321.7~348.6 MPa 的最大应力范围。结果表明，当钢的强度与螺栓的强度一致时，螺栓的抗剪承载力得到最充分的发挥，钢板与混凝土的协同作用更强，螺栓传递的剪力会更大。

a—钢板强度对载荷-位移曲线的影响;b—C1 极限载荷下的试件应力等值线，MPa;c—C7试件在极限载荷作用下的应力等值线图，MPa;d—钢板强度对极限承载力的影响;e—C8试件在极限载荷作用下的应力等值线图，MPa;f—C9试件在极限载荷下的应力等值线图，MPa。

图 11： 不同钢板强度的有限元试件的数值模拟

3.4 螺柱强度

作为柔性剪切连接件，螺柱的强度对试件的极限承载能力几乎没有影响，曲线基本一致，见图 12a、d。但从图12c的应力等值线图中可以看出，当钢的强度和螺栓的强度相同时，螺栓的根应力可以达到最大值，螺栓的抗剪性能可以得到充分发挥，这验证了第3.3小节的结论。

a—螺栓强度对荷载-位移曲线的影响;b—极限载荷作用下的 C1 试件应力等值线，MPa;c—C11试件在极限载荷作用下的应力等值线图，MPa;d—螺柱强度对极限承载力的影响;e—C12试件在极限载荷作用下的应力等值线图，MPa;f—C13 试样在极限载荷下的应力等值线，MPa。

图 12： 不同螺柱强度的有限元试样的数值模拟

4. 结论

为研究钢板复合剪力墙中的极限承载力和不同参数下螺柱抗剪承载力的受力机理，本文模拟了试件中钢板的屈曲变形，并对参数进行了分析，得出以下结论

1）本文选择的本构关系、接触关系和边界条件等有限元参数能较好地模拟钢-混凝土组合剪力墙的位移加载和破坏过程，钢板的荷载-位移曲线和屈曲规律与实验现象一致。

2）长高比L/H、混凝土强度和钢强度对试件的极限承载力影响很大，且影响基本呈线性，较小的长高比可以提高构件的延性，螺栓的强度对试件的极限承载力影响不大。

3） 长高比较小，高强混凝土和螺柱的协同能力更强。

4）螺栓的应力集中在根部，且钢板的强度与螺栓的强度一致，螺栓的根部应力可以达到较大的值，螺栓的剪切性能更充分，与混凝土的协同作用更强。

资料来源：李静、卢武才。钢板-混凝土组合剪力墙轴压模拟及螺柱抗剪承载力数值参数[J].钢结构， 2021， 36（9）： 10-18

DOI：10.13206/j.gjgS20062202