钢板剪力墙结构静力性能理论研究

试论框架-剪力墙结构抗震设计在钢管混凝土框架-钢板剪力墙结构中，钢板在屈曲后仍然能够进行有效的重力承载，在强震环境下发挥良好的抗震作用。

该结构能够克服传统混凝土剪力墙结构中开裂早、延性差等缺陷，降低结构的自重，缩小截面面积，增强剪力墙的抗震效果。

目前，钢板剪力墙结构已在高层建筑中投入使用，成为侧抗力体系中发展前景最好的结构之一。

1.有限元模型的建立及验证1.1结构设计设计20层方钢管混凝土框架-钢板剪力墙结构，结构层高为3.6m，平面布置如图1所示。

设计地震烈度为9°，楼板厚度120mm，钢管混凝土柱中钢材屈服强度345MPa，钢管中采用C50混凝土；框架梁采用H型钢梁，屈服强度235MPa；钢板剪力墙采用屈服强度100MPa的低屈服点钢材，标准层楼面荷载为5kN/m2，屋面荷载为6kN/m2。

选取图1中一榀方钢管混凝土框架-钢板剪力墙结构体系作为本文的分析模型，并初步确定柱子截面尺寸的设计方法[1]，最终选定各构件截面尺寸，如表1。

表1分析模型中各构件截面尺寸楼层框架柱截面/mm框架梁截面/mm剪力墙厚度/mmVBE柱截面/mm01-05550×550×15H500×300×11×187.5800×800×40006-10500×500×12750×75 0×3511-15450×450×10700×700×3016-20400×400×10600×600×25 1.2有限元验证本文采用非线性分析功能强大的Open Sees软件模拟结构，方钢管混凝土柱和钢梁采用非线性梁柱单元Nonlinear Beam Column模拟，混凝土采用Open Sees 材料库提供的Concrete02模型，方钢管和钢材的本构关系选用Steel02模型。

外包钢板混凝土组合剪力墙性能研究钢板混凝土组合剪力墙是一种新型的结构体系，由钢板和混凝土组成。

它具有优异的抗震性能和承载能力，得到了广泛的应用。

本文将对外包钢板混凝土组合剪力墙的性能进行研究，并讨论其应用前景。

外包钢板混凝土组合剪力墙是一种由钢板外包的混凝土剪力墙。

在传统的混凝土剪力墙结构中，钢筋起到了主要的承载作用，而混凝土的作用仅限于在正常情况下充当压力层。

然而，在地震作用下，由于混凝土的脆弱性，一旦混凝土破坏，整个结构很容易崩塌。

而外包钢板混凝土组合剪力墙则通过在混凝土外包一层钢板，将钢板的韧性和混凝土的承载能力相结合，从而提高了结构的整体性能。

首先，外包钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能显著提高。

在地震荷载作用下，钢板的弹塑性变形能够有效地吸收地震能量，减小了结构的动态响应，大大提高了结构的抗震能力。

而混凝土的存在则保证了结构的刚度，使得墙体更加稳定。

因此，外包钢板混凝土组合剪力墙能够在地震中保持相对较小的位移和较高的稳定性。

其次，外包钢板混凝土组合剪力墙的承载能力较高。

由于钢板的存在，墙体的强度和刚度得到了显著提高。

钢板可以承担大部分的水平力和剪力，减小了混凝土的受力范围，从而减小了混凝土墙体的厚度。

由于减小了墙体的厚度，可以使得建筑的使用面积增加。

另外，钢板的加入还能改善混凝土的工作性能，使得混凝土的耐久性也得到了提高。

最后，外包钢板混凝土组合剪力墙具有较好的施工性能和经济性。

与传统的混凝土剪力墙相比，外包钢板混凝土组合剪力墙的施工过程相对简单，且可扩展性强。

由于混凝土墙体的厚度较小，施工成本也相对较低。

此外，外包钢板混凝土组合剪力墙还能够回收利用，减少了资源的浪费。

综上所述，外包钢板混凝土组合剪力墙具有优异的抗震性能和承载能力，广阔的应用前景。

未来的研究可以进一步探索其在不同结构体系中的应用，优化其结构和性能，促进其在工程领域的推广应用。

剪力墙稳定性与承载能力的评估与优化1. 引言剪力墙是建筑结构中常用的一种抗剪力构件，其稳定性和承载能力的评估与优化是保证建筑结构安全可靠的重要环节。

本文将从剪力墙的基本原理入手，介绍剪力墙的稳定性与承载能力的评估方法，并探讨如何通过优化设计提升剪力墙的性能。

2. 剪力墙的基本原理剪力墙是由墙体和剪力墙板组成的构件，主要起到抵抗建筑结构受剪力作用的力学功能。

其工作原理是通过墙体的弯曲变形和剪切变形来吸收和抵抗外力的作用，进而保证结构的稳定性。

剪力墙板一般是具有较大的剪切刚度和抗弯刚度的构件，其厚度和钢筋配筋布置对剪力墙的承载能力和稳定性有重要影响。

3. 剪力墙稳定性的评估方法剪力墙的稳定性评估是指通过对剪力墙进行力学分析，判断其抗侧方向力作用下的稳定性能。

一般来说，剪力墙的稳定性评估可以通过以下两种方法进行：3.1 静力弹性分析静力弹性分析是一种基于弹性力学理论的评估方法。

首先，确定剪力墙所受到的剪力和弯矩分布情况，然后根据结构的几何形状、材料性能和约束条件等参数，采用弹性力学原理进行计算。

最后，通过对剪力墙的稳定性进行评估，判断剪力墙是否能够满足设计要求。

3.2 非线性分析非线性分析是一种更加精确的评估方法，能够考虑剪力墙在非弹性阶段的变形和破坏。

在非线性分析中，需要考虑材料的非线性力学特性，如混凝土的损伤、钢筋的屈服和局部破坏等。

通过数值模拟方法，可以得到剪力墙在不同荷载作用下的变形和破坏过程，进而评估其稳定性。

4. 剪力墙承载能力的评估方法剪力墙的承载能力评估是指通过对剪力墙的受剪承载力进行计算和验证，以判断其是否满足结构设计的要求。

一般来说，剪力墙的承载能力评估可以采用以下两种方法：4.1 强度设计法强度设计法是一种基于强度原理和纯弯或剪力破坏的评估方法。

根据材料的强度性能和结构的几何形状，通过一系列公式和计算方法，可以计算出剪力墙的承载能力。

强度设计法适用于简单结构和荷载条件下的剪力墙。

钢板剪力墙的分类及性能研究摘要：对不同形式的钢板剪力墙，即非加劲钢板墙、加劲钢板墙、开竖缝钢板墙、组合钢板墙及低屈服点钢板墙的构造特点及工作性能分别加以说明，并介绍它们在实际工程中的应用。

概括了加劲和非加劲钢板墙在单向静力荷载和往复荷载下的受力特性及国外相关的设计理论和规范。

关键词：钢板剪力墙滞回曲线拉力带防屈曲钢板墙高层建筑是近现代经济发展和科学进步的产物。

由于高层建筑需要有较大的侧向刚度,因此设计中,抗侧力结构的设计是关键。

基本的抗侧力结构体系有以下三种:梁柱刚接的纯框架结构、框架)支撑结构和框架)剪力墙(或框架-筒体)结构。

其中, 梁柱刚接的纯框架完全依赖梁柱节点的刚性连接来抵抗水平力(风、地震作用),当结构超过20层以后,需要非常大的梁柱截面控制结构侧移,经济性很差。

结构达到40层时,支撑框架被证明是有效的抗侧力体系,但缺点是支撑在往复荷载作用下易发生屈曲。

要避免上述现象,支撑必须做得相当强壮,不仅导致较大的地震作用,而且导致结构在某个方向的侧移刚度不便自由调整。

在目前超高层结构设计中流行的框剪及筒中筒体系自身就存在着缺陷,即钢筋混凝土剪力墙或核芯筒与钢框架的延性及刚度严重不匹配。

强震作用下,由于作为第1道抗震防线的钢筋混凝土剪力墙或核心筒承担了85%的水平地震力,很快因开裂、压碎而导致刚度及延性急剧退化,不利于后期地震能量的消耗。

1 钢板墙的构成与优点钢板墙结构单元由内嵌钢板及边缘构件(梁、柱)组成,其内嵌钢板与框架的连接由鱼尾板过渡,即预先将鱼尾板与框架焊接,内嵌钢板再与鱼尾板焊接(双面角焊)或栓接。

当内嵌钢板沿结构某跨连续布置时,即形成钢板墙体系。

钢板墙的整体受力特性类似于底端固接的竖向悬臂板梁:竖向边缘构件相当于翼缘,内嵌钢板相当于腹板;水平边缘构件则可近似等效为横向加劲肋。

近30年来,研究揭示薄钢板的屈曲并不意味着丧失承载力,相反,屈曲后的拉力带类似于一系列斜撑作用,因此仍具备较大的弹性侧移刚度和抗剪承载力。

钢板剪力墙简化分析模型研究赵秋红;郝博超;李楠【摘要】Steel plate shear wall (SPSW) is a new type of lateral load-resisting system suitable for the seismic resistance of high-rise and super high-rise buildings in high seismic zones.Under strong earthquake effects,the wall panels of SPSWs will undergo large out-of-plane deformation and form a series of diagonal tension zones,which will resist the lateral load after yielding and enter the plastic zone,making this a typical 2D nonlinear plate problem.Since the detailed 2D model of the wall panel is difficult to analyze and time-consuming,it is necessary to adopt a reasonable simplified analytical model for the wall panel,in order to meet the requirements of both efficiency and accuracy during the design process.In this paper,various simplified analytical models for SPSWs proposed in recent years by scholars around the world were listed and discussed,and a series of one story-one bay SPSW models were constructed using ABAQUS for 17 different cases of wall height-to-thickness ratio and aspect ratio,each case with one detailed 2D model and five major simplified models.Through nonlinear pushover analyses of 107 models,the accuracy of the five simplified models in simulating the seismic behavior of thin and medium-to-thick wall plates under different ranges of aspect ratio is compared extensively.Based on both modeling efficiency and accuracy,a rational selection scheme is proposed for simplified analytical model of SPSWs in different design ranges,and future researchdirections are discussed.%钢板剪力墙是一种适用于高烈度区高层及超高层建筑抗震的新型抗侧力结构体系.在强震作用下,钢板剪力墙墙体将出现较大的面外变形,并沿对角线方向形成一系列的斜向拉力带,拉力带屈服进入塑性阶段承载,是典型的二维板单元非线性问题由于墙板的二维非线性精细模型计算难度大、耗时长,需要采用合理的简化分析模型,以满足结构设计中高效性及准确性两方面的要求本文总结和分析了近年来各国学者提出的钢板剪力墙简化分析模型,并利用ABAQUS建立了17个不同高厚比、不同宽高比的单层单跨钢板剪力墙的二维精细分析模型和5种主要简化分析模型.通过对107个模型的非线性推覆分析,广泛对比了各种简化分析模型对不同宽高比范围内的薄墙板及中厚墙板抗震性能模拟的准确性在综合考虑分析效率及准确性的基础上,提出了不同设计范围内的钢板剪力墙结构简化分析模型的合理选择方案,并讨论了今后研究的发展方向.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2017(050)0z1【总页数】11页(P42-52)【关键词】钢板剪力墙;简化分析模型;非线性推覆分析;抗震性能【作者】赵秋红;郝博超;李楠【作者单位】天津大学建筑工程学院,天津300072;滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学),天津300350;天津大学建筑工程学院,天津300072;天津大学建筑工程学院,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TU392.4钢板剪力墙是一种适用于高烈度区高层及超高层建筑抗震的新型抗侧力结构体系．其在高层建筑中抵抗侧向荷载的工作原理类似于底端嵌固于地面的悬臂板梁，主要通过内嵌钢墙板屈曲后形成的拉力场承担水平剪力．在强震作用下，内嵌墙板将出现较大的面外变形，并沿对角线方向形成一系列的斜向拉力带，拉力带屈服进入塑性阶段承载，是典型的二维板单元非线性问题．在该结构的分析和设计过程中，墙板的二维精细模型的建模和计算较为耗时，而且一般结构设计类软件也不具备分析板单元的塑性性能或者屈曲后性能的能力．因此，自20世纪80年代起，各国学者相继提出计算速度更快、结构布置简单的墙板简化分析模型(简称简化模型)，用于辅助钢板剪力墙的分析及设计．多年来，虽然众学者对各自提出的简化模型进行过一些参数分析，在某些情况下也提出了该模型的大致适用范围，但随着钢板剪力墙结构应用的日趋广泛，实际结构的多样性已远超出了原有研究的范围，原有研究成果并不能直接、明确地指导结构设计人员选择合适的简化模型．因此，本文总结和分析了近年来各国学者提出的钢板剪力墙的简化模型，利用有限元分析软件ABAQUS建立了一系列不同高厚比、不同宽高比情况下单层单跨钢板剪力墙的二维精细模型和几种主要的一维简化模型．通过非线性推覆分析，广泛对比了各种简化模型对不同设计范围内的钢板剪力墙结构抗震性能模拟的准确性．在综合考虑分析效率及准确性的基础上，提出了不同设计范围内简化模型的合理选择方案．钢板剪力墙结构弹性屈曲承载力很低，但是由于边缘框架对内嵌钢板的锚固作用，板在发生屈曲后将形成拉力场继续承载，表现出较高的屈曲后强度．在钢板剪力墙的设计过程中，是否考虑墙板的拉力场作用及屈曲后强度对结构设计存在重要影响．我国的《钢结构设计规范》(GB50017—2003)[1]只考虑计算工字型截面焊接组合梁腹板的屈曲后强度，尚未将该概念应用到钢板剪力墙结构中．我国《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99—2015)[2]附录B 在旧版规程的基础上进行修订，规定在计算钢板剪力墙的平均剪应力时可以考虑屈曲后强度．我国《钢板剪力墙技术规程》(JGJ/T380—2015)[3]提出了钢板剪力墙的设计、施工和质量验收等方面的行业标准，明确钢板剪力墙的结构设计可以考虑拉力场作用.由于国外钢板剪力墙的研究起步较早，考虑钢板剪力墙屈曲后强度的设计方法已经被加拿大规范[4]和美国钢结构规范[5]采纳．但是，一般的结构分析设计类软件例如PKPM，ETABS或者SAP只能分析板单元的弹性性能，不具备分析板单元塑性性能或者屈曲后性能的能力．因此，各国学者相继提出以模拟墙体屈曲后工作性能为目标的简化模型，以用于钢板剪力墙结构的设计计算和整体分析．钢板剪力墙的设计方法主要有两种：基于承载力的设计方法和基于性能的设计方法，其中前者是各国相关设计规范中推荐采用的方法．在基于承载力的设计过程中，钢板剪力墙的简化模型是完成结构设计不可或缺的．选用合适的钢板剪力墙简化模型可以帮助设计人员在结构设计软件中完成钢板剪力墙及相关高层建筑的数值建模，并按照以下步骤进行钢板剪力墙的结构设计：(1) 确定建筑结构设计概况，包括建筑基本信息、荷载及抗震设计信息等．(2) 统计设计荷载，初选框架截面尺寸．(3) 计算层间剪力．通过手算或软件计算得到基本烈度下的地震基底剪力，导算得出层间剪力．(4) 按内嵌钢板承担全部层间剪力计算板厚，并按拉力场作用计算内嵌板对边缘框架的作用力．(5) 基于承载力对边缘框架初选截面按承担25%,层间剪力作用、拉力场作用和结构恒活荷共同作用进行验算．如验算未满足要求，则返回步骤(2)重选梁柱截面进行迭代．(6) 选用合适的结构设计软件进行结构建模，钢板剪力墙部分采用简化模型代替，对该模型进行整体分析，得到结构在多遇地震和罕遇地震作用下的工作状态和层间变形等信息．建筑结构中的侧向荷载主要来自于风荷载和地震作用．在早期建筑结构设计中，如果建筑层数不多，则会选用抗弯框架抵抗侧向荷载；如果建筑层数增多，支撑框架则可以更有效地抵抗侧向荷载．最初在设计中假设钢板剪力墙只承受侧向荷载，将其简化成交叉支撑结构，并根据侧向刚度等效的原则确定支撑截面尺寸．交叉支撑结构的刚度与钢板剪力墙发生屈曲前的刚度相等，并通过软件验算该结构内力，该结构是钢板剪力墙结构设计最早期的简化模型，如图1所示．3.1 斜拉杆模型1983年，Thorburn等[6]、Timler等[7]在Wagner纯对角拉力理论的基础上首次提出了钢板剪力墙的简化计算模型：斜拉杆模型(strip model，SM)，如图2所示．该简化模型需要满足以下基本假定：①梁在平面内具有无限刚度，梁端铰接于柱，即忽略框架节点的抗侧能力；②忽略内嵌钢板屈曲前承载力，层间剪力由拉力场承担，忽略垂直于拉力场方向的板内受压承载力．材料模型选用双线性弹塑性材料模型．在上述假定前提下，SM将内嵌钢板离散成为一系列相互平行的斜向受拉杆件，拉杆两端与梁柱铰接，杆截面积等于拉杆间距与板厚的乘积．根据最小能量原理，导出拉杆倾角a 的计算公式式中：H、L为内嵌钢板高度和宽度；tp为内嵌钢板厚度；Ic为边柱截面惯性矩；Ab、Ac为边梁和边柱截面积．等效拉杆间距为式中n为每层用于代替内嵌钢板的拉杆数目．1993年，Elgaaly等[8-9]学者为研究钢板剪力墙的抗震性能，首次将SM应用于低周往复分析中．为满足往复加载的需要，SM由最初的单向斜拉杆修改为对称斜拉杆的形式，如图3所示．在满足SM假定的基础上，重新定义了适用于结构推覆分析的三线性弹塑性材料模型和滞回分析的半经验材料模型参数．通过数值分析结果与试验结果的对比，表明SM可以准确预测结构(尤其层数较少的结构)在单向推覆作用下的抗侧性能，但为了准确预测结构在滞回试验中的抗侧性能还需更多的试验研究．1998年，Driver等[10-11]学者总结前人有关钢板剪力墙简化模型的研究成果，以一座应用钢板剪力墙结构的建筑为基础，研究SM的具体参数．通过与精细模型分析结果对比，发现拉杆倾角a 在42°~50°之间变化时对分析结果的影响可以忽略．因此，为设计方便，后人在建立SM时拉杆倾角a 直接采用45°.该学者还对拉杆数量进行了研究，指出每层结构布置10根拉杆便具有良好的工作性能且占用较少的计算资源，并与滞回试验结果准确吻合．我国学者邵建华等[12]也对上述问题进行了分析和深入研究，取得了更为详尽的结论．Montgomery等[13]根据试验和分析结果对SM选用的双线性理想弹塑性材料模型进行了改善，认为当结构以剪切变形为主时，双线性材料模型可以准确预测极限承载力；但当结构层数较多、倾覆弯矩较大时，双线性材料模型会高估结构弹性阶段的刚度．因此，推荐采用三线性刚度退化材料模型，其可更好地模拟结构抗侧性能．同时，该材料模型也有利于解决结构层数较多时SM模拟准确性较差的问题．3.2 拉杆-等效角板模型1997年，Elgaaly等[14]基于内嵌钢板上应变沿拉力场方向分布不均匀这一发现，提出了拉杆-等效角板模型(strip-gusset model，SGM)，如图4所示．在结构承受较大侧向荷载时，内嵌钢板会在与梁柱相临近的区域首先发生屈服，进而降低结构的侧向刚度．与SM相比，该学者将拉杆与框架连接的部位替换成平面连接角板，并采用三线性刚度退化材料模型．上述改进可以模拟内嵌板在工作过程中边缘部位首先屈服的现象．另外，其强调要对框架柱进行着重设计，以防柱在内嵌钢板发挥全部承载力之前出现塑性铰或者屈曲．试验结果显示，SGM的推覆和滞回分析结果都与试验结果比较吻合．但由于SGM比SM建模更复杂并且用到经验系数，应用并不广泛．2009年，曹春华等[15]对SGM中具体参数的取值进行了研究，包括拉杆倾角a的敏感性分析等，并引入塑性发展系数，提高了SGM的计算精度．3.3 多角度拉杆模型1999年，Rezai[16]在UBC(英属哥伦比亚大学)的博士毕业论文中首次提出多角度拉杆模型(multi-angle strip model，MASM)．该学者在结合文献[8，10-11]研究成果的基础上，发现内嵌钢板拉力场应力分布并不均匀，实际的应力分布情况比SM假设的应力平行分布更为复杂．实际工程中，钢板剪力墙梁柱节点一般是刚性连接，节点域较强(强节点，弱构件)，这种构造形式影响板与框架在梁柱节点部位的相互作用．当节点域和框架梁刚度较大时，拉力场的方向向竖直方向靠近．同时，节点域由于较大刚度，分担了较大部分的斜向拉力，因此MASM在梁柱节点处同时设置3根拉杆模拟上述受力特征．MASM如图5所示，从梁柱节点分别向对角和对边中点连接拉杆.在此模型中，拉杆的截面积是一个关键参数，它受板框相互作用程度的影响，尤其受框架刚度的影响较大，因此引入内嵌钢板的有效宽度l′，将有效宽度均分后与板厚的乘积即为拉杆截面积．l′的推导过程与SM类似，假定框架与SM相同的性质，采用最小能量原理，经推导可得到下列半经验公式式中：φ为内嵌钢板宽度与结构层高比的反正切值；h为层高．如果框架梁的轴向和弯曲刚度满足SM的假定，内嵌钢板有效宽度计算公式可简化成单层结构研究结果显示，当顶梁刚度较大时，拉力场的方向会靠近竖直方向；反之，拉力场的方向会靠近水平方向．将MASM分析结果与试验结果对比，其可以准确地模拟单层结构的刚度，但是会小幅低估承载力；与SM相比，其刚度和承载力都偏低．4层结构的研究结果表明SM和MASM均难以模拟结构抗侧性能，误差表现在简化模型会高估结构的弹性刚度，但同时会低估结构的极限承载力．这种误差主要源于当结构层数较多时，结构的剪切作用被弯曲作用所取代．3.4 修正斜拉杆模型Shishkin等[17-18]发现SM没有考虑内嵌钢板受压承载力，使其估计的弹性刚度偏低，故在SM基础上增加一道压杆，提出修正斜拉杆模型(modified strip model，MSM)，如图6所示．MSM中的压杆在物理意义上并不真实存在，其截面积Ac与屈服强度是要确定的模型参数．屈服强度推荐采用内嵌钢板屈服强度的8%,；截面积的计算见式(6)，其确定原则是此压杆的贡献可保证MSM与精细模型弹性刚度相等．式中f 为压杆与框架柱夹角．该学者对拉杆倾角a 进行深入研究，提出其容许变化范围是38°~50°，以供加拿大相关规范采用．上述范围内的取值可以满足设计人员对钢板剪力墙承载力计算精度的需要，并且采用40°倾角是一种偏于保守且比较合理的做法．SM针对高厚比l较大的钢板剪力墙使用，对于实际工程中l较小的钢板剪力墙，SM估算的弹性刚度会偏低．即使对于l＝300的薄钢板剪力墙[19]，SM预测的极限承载力与试验结果准确吻合，但仍然较大幅度地低估了结构的弹性刚度．当内嵌钢板l较大时，板内受压作用可以忽略，此时MSM估算的承载力高于试验结果，所以MSM相对SM而言更适用于l较小的钢板剪力墙．因此，针对某一高厚比l的钢板剪力墙，选用合理的简化模型才能保证设计人员得到准确的分析结果．此外，MSM的一个明显缺陷是在推和拉两个方向上受力不对称，无法进行滞回分析．结构滞回分析结果是评价一个结构抗震性能优劣的重要指标，该缺陷阻碍了MSM广泛应用于钢板剪力墙的结构研究．3.5 正交异性板模型2006年，Sabelli等[20]提出正交异性板模型(orthotropic membrane model，OMM)，如图7所示．OMM在本质上与SM相同，两者都利用拉力场模拟内嵌钢板的屈曲后承载能力；但在OMM中，内嵌钢板采用正交异性板单元建模．结构侧移较小时，内嵌钢板发生弹性屈曲并逐渐发展拉力场，将正交异性板单元的一个主应力方向设置为拉力场的方向a．在该方向上，材料属性设置为真实的钢材本构关系，而在与其垂直的方向上假设刚度为零，即不产生应力．OMM将拉力场直接作用于梁柱上，忽略了内嵌钢板角部区域的剪切作用，因此所计算出的框架内力应略大于考虑剪切作用时的计算结果，所以OMM对框架的设计是偏安全的．另外，OMM相对于SM的较大优势表现在，设计过程会经历若干次的迭代，如果使用SM，那么每一步迭代都会由于拉杆倾角α的变化而重新建模，非常耗费时间；而OMM只需在每一步迭代之后重新定义正交异性板单元中主应力的方向α，即可进行下一步迭代计算，大幅提高设计效率．3.6 混合杆系模型文献[21-24]中考虑单元体受剪屈服时的主应力状态，结合拉力场的概念提出混合杆系模型(combined strip model，CSM)．其思路近似于MSM，但CSM不仅考虑了不同高厚比λ的内嵌钢板角部和边缘的受压承载力，还解决了MSM无法进行滞回分析的缺陷．其仍是将内嵌钢板离散为一系列杆，一部分杆为只拉杆(实线)，而另一部分则为拉压杆(虚线)，如图8所示．全部拉压杆将模拟结构抗侧过程中始终存在的受剪承载力，只拉杆中只有向侧移方向倾斜的杆件才会同时参与抗侧，反方向的只拉杆中应力为零．CSM双向对称共设置2n根杆(n通常取10)，杆两端铰接于框架，各杆截面面积相等，等效原则同SM．在杆总数相同的情况下，CSM中同时处于工作状态的杆要多于SM中的拉杆．为保证材料仍满足Von Mises屈服准则，拉压杆的材料屈服应力采用钢材剪切屈服应力fv，这样保证拉压杆交叉部位的Von Mises折算屈服应力值仍为fy．相应的本构关系如图9所示．CSM中拉压杆的数量取决于模型中钢板高厚比l．为确定拉压杆的数量，该学者将CSM与精细模型的滞回分析结果进行对比分析，依次就骨架曲线、耗能系数等模拟结果进行对比．分析结果显示对于100≤l≤300的钢板剪力墙，“混合3-7”模型(包含3根拉压杆，7根只拉杆)具有较好模拟表现；而对于300≤l≤600的钢板剪力墙，“混合2-8”模型(包含2根拉压杆，8根只拉杆)则更能准确地模拟结构的抗侧性能．较薄的内嵌钢板更容易发生弹性屈曲，出现较大平面外变形逐渐形成拉力带，其剪切作用也更弱，因此CSM中拉压杆的相对数量随l 的增大而降低．用“混合3-7”模型对Park等[25]在2007年所做的试验进行了滞回分析模型验证．与试验结果相比发现，CSM计算的极限承载力偏低20%,左右，耗能系数偏高25%,左右，初始刚度略偏高；CSM与精细模型所绘滞回曲线比较吻合．3.7 统一等代模型(USM)2011年，郭彦林等[26]分析发现当墙板的高厚比l 较小时，SM预估的弹性刚度和极限承载力总是不同程度的低于试验所得结果．虽然Shishkin等[17-18]发现这是由于SM未考虑内嵌钢板受压区域的作用，进而提出了MSM，但仍未能解决其局限性的难题．为了使简化模型可以适用于不同高厚比的钢板剪力墙，该学者提出了统一等代模型(unified strip model，USM)，如图10所示．USM在每根杆件的位置创新性地并列布置两根杆件(1根拉压杆、1根只拉杆)，拉压杆模拟剪切作用，只拉杆模拟拉力场作用．因此，最终分析结果包括上述两种作用的贡献．将剪切作用所占比例定义为η，则拉力场作用所占比例为1－η(见图10)．内嵌钢板的高厚比λ变化，η也会随之改变，η成为USM区别于其他简化模型的重要特征．η用内嵌钢板剪切屈服应力与剪切屈曲应力比值的根号值(即正则化高厚比ln)表达，并根据分析结果进行细微调整最终确定．在USM中，η通过改变拉压杆和只拉杆截面积的方式，调整上述两种作用在USM工作过程中发挥作用的比例．通过与精细模型、SM和试验结果的比较，考察了USM用于计算钢板剪力墙结构的框架内力、弹性刚度、极限承载力、滞回性能等方面的准确度．分析结果显示，USM可以引入剪切作用的影响，在以上方面能够较真实地反应结构抗侧性能，解决了SM的关键缺陷，只是在建模便捷性方面略有不足．3.8 简化分析模型小结由分析可知，继最早期的等效刚度交叉支撑模型之后，各国学者在20世纪90年代开始对钢板剪力墙简化模型进行大规模的研究并相继提出模拟性能更准确的简化模型．其中斜拉杆模型(SM)，修正斜拉杆模型(MSM)，拉杆-等效角板模型(SGM)，多角度拉杆模型(MASM)等一维简化模型由SM开始，以板屈曲后工作机理为出发点，研究重点主要集中在对拉杆数量、角度、材料模型等参数的分析和修正上．为同时满足模拟准确性和设计便捷性的需要，SM类简化模型拉杆数量一般取10根、倾斜角度取45°、材料模型选用三线性刚度退化弹塑性模型．混合杆系模型(CSM)及统一等代模型(USM)是近年来我国学者在综合考虑准确性和便捷性的前提下，提出的具有广泛适用性的简化模型，只需调整少量参数即可适用不同高厚比l的钢板剪力墙，并且解决了以往简化模型中模拟刚度误差大的问题，可以得到更精确且偏于保守的刚度．正交异性板模型(OMM)是二维简化模型，其突出优点是考虑到建模便捷性的要求，最大程度削减操作步骤，提高迭代效率．为便于工程设计人员能迅速地选出模拟准确度高、建模便捷的简化模型，本文应用ABAQUS有限元软件，以宽高比和高厚比为主要设计参数，选取精细模型和上述具有代表性的简化模型分别对单层单跨的钢板剪力墙结构进行非线性推覆分析，通过比较各模型与精细模型计算结果的差别，确定各模型的精度及最佳适用范围．所选取的简化模型包括：SM，MSM，CSM，MASM，OMM．其中CSM模型根据墙板高厚比l的不同又分为2-8模型和3-7模型，本文中3-7模型仅用于l150的钢板剪力墙结构中．模型几何参数如表1所示，其中梁柱截面尺寸由竖向荷载计算得到，并能满足使薄板拉力带充分开展的边柱最小刚度阈值要求[4-5]．梁柱采用Q345B级钢，内嵌钢板采用Q235B级钢，屈服准则为Von Mises准则，采用理想弹塑性材料模型，弹性模量E＝206,000,MPa，泊松比为0.3，抗拉屈服强度分别取345,MPa、235,MPa，质量密度为7,850,kg/m3．此单层结构按建筑的中间层选取，其边梁实际上同时受到相邻层墙板相反的拉力场作用，竖向应力分量相互抵消，弯曲变形可以忽略不计，可假设边梁抗弯刚度无限大．精细模型的框架采用B31单元，墙板采用S4R单元，推覆分析之前引入H/1,000的初始缺陷．简化模型的框架采用B31单元，除OMM模型的墙板采用CPS4R单元外，其余模型的只拉杆、压杆及拉压杆均采用T3D2单元．考虑只拉杆和拉压杆在设计中布置的简洁性和计算结果的准确性，SM、MSM、CSM模型中只拉杆及拉压杆的倾角和OMM的主应力方向a 均采用45°，其余参数均可根据上文的描述和公式计算得到．本文的分析参数包括墙板宽高比和高厚比，具体参数如表2所示，各模型建模如图11所示．评价简化模型的模拟效果可从静、动力两方面考虑与精细模型的差异[26]，本文将从静力方面分析各简化模型的侧向推覆性能．考虑到结构的承载力、初始刚度会因框架尺寸、板厚的差异而不同，造成结果难以直接进行对比分析的情况，本文将承载力和初始刚度进行归一化处理，即用简化模型计算的承载力或初始刚度除以精细模型相应的计算值，推覆分析结果见图12、图13．图12表明各简化模型得到的侧向承载力峰值随高厚比和宽高比变化的情况．图12表明在不同的宽高比下，就承载力的发展趋势而言，几乎所有简化模型的承载力都随着高厚比l的增大而更趋近精确值(精细模型的承载力)，而且板厚时趋近速度快、板薄时趋近速度慢，分界点大致在l＝300左右；但要注意MSM模型的承载力很快随l的增大而高过精确值，CSM、MASM在某些区域也会高过精确值，而OMM模型获得的承载力与精确值相差甚远，尤其在板型不是正方形的情况下．。

钢板剪力墙的发展与研究现状钢板剪力墙是一种新型的抗侧力结构，具有优异的抗震性能和施工效率。

本文系统地介绍了钢板剪力墙的发展历程、基本概念、优点及应用领域，总结了当前的研究现状和存在的问题，并展望了未来的发展方向和趋势。

随着高层建筑和地震工程的发展，对结构抗侧力的要求越来越高。

钢板剪力墙作为一种新型的抗侧力结构，具有优良的抗震性能和施工效率，得到了广泛和研究。

钢板剪力墙的发展可以追溯到20世纪初，当时主要用于军事工程和桥梁工程。

随着科技的进步，钢板剪力墙逐渐应用于高层建筑和地震工程中。

进入21世纪，钢板剪力墙在地震工程和高层建筑领域的应用越来越广泛，研究也越来越深入。

抗侧力性能优异：钢板剪力墙具有较高的抗侧刚度和承载能力，能够有效抵抗地震作用和风荷载。

施工效率高：钢板剪力墙可以采用工厂化生产，现场装配，缩短了施工周期，提高了施工效率。

节能环保：钢板剪力墙材料可回收利用，符合绿色建筑和可持续发展的要求。

适用范围广：钢板剪力墙适用于各种高层建筑和地震工程，具有广泛的应用前景。

高层建筑：作为一种新型的高层建筑抗侧力结构，钢板剪力墙在高层建筑中的应用越来越广泛。

地震工程：钢板剪力墙具有优异的抗震性能，在地震工程中得到广泛应用，为结构提供了更加可靠的安全保障。

其他领域：钢板剪力墙还广泛应用于桥梁工程、核电站、储液罐等特殊工程中，展示了其广泛的应用前景。

目前，钢板剪力墙的研究主要集中在以下几个方面：受力性能：对钢板剪力墙的受力性能进行研究，包括承载能力、变形性能等方面，以了解其工作机理和破坏模式。

优化设计：针对钢板剪力墙的设计进行优化，包括材料选择、截面设计、连接构造等方面，以提高其抗震性能和施工效率。

数值模拟：采用数值模拟方法对钢板剪力墙的性能进行模拟分析，以便更好地理解其工作性能和设计方法。

耐久性研究：对钢板剪力墙的耐久性进行深入研究，包括影响因素、检测方法、维护措施等方面，以保证其长期使用性能。

工程应用：结合具体工程应用案例，对钢板剪力墙的设计、施工及维护进行总结和经验教训的归纳，以便更好地推广应用。

钢板剪力墙承载力与抗震性能研究摘要：本文关注了加劲钢板剪力墙的屈曲特性和抗剪承载力，以及整体结构中钢板墙在地震作用下的响应特点和抗震性能。

采用特征值屈曲分析，考察了影响钢板剪力墙屈曲承载力的各主要因素。

对钢板墙的受剪屈服和屈服后行为及其影响因素进行分析研究，并同时对比了薄板和厚板承载机制方面的区别。

通过整体模型，探讨了钢板剪力墙抵抗地震作用的塑性耗能机制和特性。

关键词：加劲钢板剪力墙；屈曲特性；抗剪承载力；塑性耗能0 引言钢砼剪力墙以其节约钢材，施工方便，符合我国国情而被大量采用，在剧烈地震作用下，将造成墙体的严重损坏，刚度退化，而地震作用向框架转移，加重框架负担，抗震性能不尽合理。

钢板剪力墙以其较大的初始刚度，大变形能力和良好的塑性性能，稳定的滞回特性而逐渐受到重视。

1 钢板剪力墙屈曲特性屈曲特性[1]的分析采用通用有限元软件的特征值屈曲模块，计算模型假定如下：（1）假定梁的弯曲与轴向刚度为无限大；（2）为简化分析因素，梁、柱之间铰接，不考虑框架的抗弯作用；（3）加劲肋不与框架梁柱连接，即加劲肋两端自由；分析模型简图如图1所示。

图1有限元分析模型示意加劲肋的布置主要考虑其自身尺寸与相互之间的间距两种因素，分别考虑竖向加劲肋和纵横加劲肋两种形式钢板剪力墙，其中墙板的总尺寸为7.5m×3m（l×h0），加劲肋间距的设置可见表1。

本文以肋板的外伸宽度与板厚的比值（bs/t）来表明加劲肋的强度，同时定义高厚比（λ=h0/t）以区分不同厚度的墙板，为考虑框架柱对屈曲承载力的影响，设置了如表2所示的多种柱截面。

1.1 高厚比的影响加劲肋钢板剪力墙的弹性屈曲承载力与高厚比λ密切相关，板屈曲承载力随高厚比的增大迅速降低，对于薄板（λ=400～600），屈曲承载力较低，设置加劲肋后，屈曲承载力得到提高，但仍低于剪切屈服强度，可见加劲肋薄板更有使用价值。

随着加劲肋间距的增加，其限制平面外变形的能力也逐渐减弱，曲线渐趋于重合。

钢板剪力墙结构研究与工程应用概述摘要：钢板剪力墙指在钢框架结构基础上为提高结构刚度及抗震性能而在部分框架梁柱间内填钢板的结构。

研究学者们普遍认为这是一种抗震性能良好的结构形式。

这种结构自重轻，施工速度快，并且经受住了地震的考验。

关键词：钢板剪力墙结构应用概述（一）引言我国是地震多发地区，特别是2008年5月12日发生的汶川地震，给中国带来了巨大的灾难。

8.0级的强烈地震导致灾区房屋大量垮塌，很多群众被埋在废墟里，造成了极其严重的人民生命财产的损失。

研究发展抗震能力优越，能有效抵御强烈地震的抗侧力结构，使工程结构更加耐震，是非常有实际意义的。

近年来，在北美和日本开始兴起的钢板剪力墙结构，被研究学者普遍认为是一种抗震性能良好的结构形式。

钢板剪力墙结构指在钢框架结构基础上为提高结构刚度及抗震性能而在部分框架梁柱间内填钢板的结构。

在过去的几十年中，各国学者对这种结构进行了许多试验与理论方面的研究。

这些研究都得到了共同的结论：这种结构弹性初始刚度高、位移延性系数大、滞回性能稳定。

近年来得到了诸多研究者的关注，并在北京国贸大厦三期工程，天津市津塔工程等大型项目中得到了应用，有着独特优势并有良好发展前景。

这种结构在我国研究与应用均处于起步阶段，其抗震性能尚缺乏研究。

为推动钢板剪力墙在多高层结构中的应用，需要对其整体抗震性能进行深入的理论及试验研究。

加拿大钢结构设计规范CSA S16-01定义：钢板剪力墙是一种有横向加劲的墙板，用以在结构中抵抗侧力。

柱子作为墙板的翼缘构件，框架梁作为墙板的横向加劲。

薄钢板与其周围的梁柱在各层连接构成内填板构件。

内填板周边约束梁柱分别简称为周边柱、周边梁，非内填板约束构件称为框架梁、框架柱。

其主要分类如下，并如图1.1所示：1. 无加劲钢板剪力墙；2. 加劲板钢板剪力墙；3. 开缝钢板剪力墙；4. 钢板-混凝土组合剪力墙。

a)无加劲钢板剪力墙b) 加劲钢板剪力墙c)带缝钢板剪力墙d)组合钢板剪力墙图1.1钢板剪力墙分类Fig. 1.1 Different types of steel plate shear wall structure图1.2无加劲钢板剪力墙Fig. 1.3 Unstiffend steel plate shear wall structure在20世纪70年代和80年代，美国大部分采用钢板剪力墙的建筑都在钢板的两侧设置纵向和横向加劲肋。