带缝钢板剪力墙滞回性能和耗能能力分析
- 格式:pdf
- 大小:259.08 KB
- 文档页数:2
不同钢—混凝土组合剪力墙抗震性能对比分析在建筑结构领域,钢—混凝土组合剪力墙因其优异的抗震性能而备受关注。
为了更好地理解和应用这种结构形式,对不同类型的钢—混凝土组合剪力墙的抗震性能进行对比分析具有重要意义。
钢—混凝土组合剪力墙通常由混凝土和钢材通过某种方式组合而成,以充分发挥两种材料的优势。
常见的组合形式包括内置钢板混凝土剪力墙、外包钢板混凝土剪力墙等。
内置钢板混凝土剪力墙是将钢板置于混凝土内部,通过连接件与混凝土协同工作。
这种组合形式的优点在于钢板能够有效地承担拉力和剪力,提高墙体的承载能力和延性。
在地震作用下,内置钢板可以限制混凝土裂缝的开展,从而增强墙体的整体性和抗震性能。
外包钢板混凝土剪力墙则是将混凝土包裹在钢板外部。
外包钢板不仅为混凝土提供了良好的约束作用,而且能够提高墙体的抗侧刚度。
在地震时,外包钢板可以分担一部分水平荷载,减轻混凝土的负担,延缓墙体的破坏。
为了对比不同钢—混凝土组合剪力墙的抗震性能,需要从多个方面进行考量。
首先是承载能力。
承载能力是衡量剪力墙抗震性能的重要指标之一。
一般通过试验或数值模拟来确定不同组合剪力墙在竖向和水平荷载作用下的极限承载力。
研究发现,内置钢板混凝土剪力墙由于钢板与混凝土之间的协同作用较好,其承载能力相对较高。
而外包钢板混凝土剪力墙在钢板厚度和约束条件合理的情况下,也能达到较高的承载能力。
其次是延性性能。
延性是指结构在达到极限承载能力后,仍能保持一定变形能力而不发生脆性破坏的特性。
良好的延性可以有效地吸收地震能量,降低地震对结构的破坏程度。
在这方面,内置钢板混凝土剪力墙中的钢板能够在混凝土开裂后继续承担拉力,使墙体的变形能力得到提高。
外包钢板混凝土剪力墙由于钢板对混凝土的约束作用,也能表现出较好的延性。
再者是耗能能力。
耗能能力反映了结构在地震作用下消耗能量的能力。
通过对不同组合剪力墙在往复荷载作用下的滞回曲线进行分析,可以评估其耗能能力。
通常,滞回曲线越饱满,耗能能力越强。
不同形式的槽钢加劲钢板剪力墙滞回性能研究杨雨青;牟在根【摘要】钢板剪力墙是一种具有良好的延性、抗侧刚度和耗能能力的新型抗侧力结构,非常适用于高烈度地区建筑,通常采用加劲的方法以改善钢板墙的性能.为了对比不同槽钢加劲形式、框-板连接形式对钢板剪力墙滞回性能的影响,建立了非线性有限元模型进行分析,以预测加劲钢板剪力墙的抗震性能和破坏行为.通过建立11个双层单跨的加劲钢板剪力墙模型,包括竖向加劲、斜向加劲、单侧开洞、两边连接等情况,对其承载能力、耗能能力、退化特性、延性和破坏特征等问题进行了对比分析.结果表明,加劲肋能有效改善钢板剪力墙的滞回曲线\"捏缩\"现象,不同程度地提高钢板剪力墙的承载能力和抗侧刚度,其中斜向布置加劲肋能明显地提高结构抗侧刚度和承载能力,并在墙板屈曲后维持较高的刚度;而竖向加劲形式对结构的刚度和承载力提高较小,墙板受力更加均匀.两边连接形式的钢板剪力墙能有效避免对框架柱的附加弯矩,并可很好地与加劲钢板协同工作,结构具有较好的稳定性和耗能能力.当墙板跨高比较大时,采用小区格的交叉加劲形式有更好的效果,对角加劲形式在屈曲后对框架柱有较大的附加作用,因此设计时应增大柱截面或考虑进一步减小板厚,避免框架柱过早发生局部屈曲进而导致结构承载力下降.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2019(052)008【总页数】13页(P876-888)【关键词】钢板剪力墙;滞回性能;槽钢加劲肋;耗能能力;退化特性;有限元法【作者】杨雨青;牟在根【作者单位】北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083;北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083【正文语种】中文【中图分类】TU392.4钢板剪力墙(steel plate shear wall,SPSW)是一种新型抗侧力结构,有良好的延性,易于与钢框架匹配,形成“钢框架-钢板剪力墙”双重抗侧力体系.早期对钢板屈曲后性能认识不足,钢板墙厚度设计较厚,经济性较差,未得到工程师的青睐.1983年Thorburn等[1]发现薄钢板屈曲后形成拉力带,具有更高的抗侧力性能,随后薄钢板剪力墙的屈曲后性能引起了学者的关注.经过多年的发展,国内外采用钢板剪力墙作为抗侧力体系的建筑越来越多,如洛杉矶活力酒店[2]、天津津塔[3]、中国尊[4]等.钢板剪力墙的使用为建筑提供了可靠的稳定性和抗震性能,并且提高了建筑的使用面积、减小了工程造价和缩短了施工周期.薄钢板容易在较小侧向力作用下发生屈曲,形成拉力带以继续为结构提供承载能力,但在往复荷载作用下,拉力带随结构水平位移变化而改变方向时,伴有较大的鼓曲声响,结构出现“零刚度”甚至“负刚度”,滞回曲线出现明显的“捏缩”现象.通常采用加劲肋的形式以改善薄钢板易屈曲的问题,常用的加劲形式有十字加劲、对角加劲、纵横密肋加劲等形式[5].郭彦林和陈国栋等[6-7]研究结果表明,对角加劲形式不仅能提高结构弹性屈曲荷载,延缓钢板发生面外变形,并且能在屈曲后起到增大拉力带的效果,提高结构承载能力,是一种高效的加劲形式.在一些加劲钢板剪力墙的试验研究中发现[8-9],采用单板加劲的钢板剪力墙在屈曲后对加劲肋产生较大的作用,导致加劲肋自身扭曲、破坏,严重影响了其加劲效果,甚至失效.为此有学者建议采用闭口形式的槽钢作为加劲肋,以增强加劲肋自身的强度和性能.而对槽钢加劲钢板剪力墙的研究也仅限于竖向加劲形式[10]及其受剪受压弹性屈曲[11-12],还有很多研究空白之处.目前的研究成果没有系统地对不同加劲形式的钢板剪力墙滞回性能进行对比分析,本文采用ABAQUS有限元软件,对11种不同槽钢加劲形式、框-板连接形式的钢板剪力墙滞回性能进行分析,对比不同槽钢加劲肋布置形式及框-板连接形式对钢板剪力墙的承载能力、抗侧刚度、滞回性能、延性、退化特性和耗能能力等关键力学性能和抗震性能的影响,为实际工程提供参考.由于钢材在单调荷载和往复荷载作用下的力学响应有很大差别,Shi等[13]对我国常用钢材的循环本构模型进行了相关的试验研究,在Chaboche钢材本构的基础上,提出了在往复荷载作用下发生循环强化、屈曲、累积损伤退化等现象的钢材非线性混合强化本构模型,包括了随动强化和各向同性强化,如图1所示,具体参数定义详见文献[13].王萌等[14]在此基础上拟合了可用于有限元软件ABAQUS 模拟钢板剪力墙的关键材料参数(如表1所示),并验证了模型中采用的单元类型和边界条件的合理性,并对常见形式的钢板剪力墙进行了系统的对比分析[15].本文在有限元软件ABAQUS中建立钢板剪力墙模型,梁、柱、内填钢板和加劲肋均采用S4R四节点缩减积分壳单元模拟,梁柱连接、内填板和框架连接及加劲肋与内填板等接触均采用绑定(TIE)连接模拟全焊接,并忽略鱼尾板和残余应力的影响.钢材的弹性模量E为206000N/mm2.选取合适的网格进行划分,本文模型网格尺寸取50mm以保证较高计算精度和较少的计算时长.考虑内填钢板的初始缺陷影响(以钢板的1阶屈曲模态作为分布模式,最大几何缺陷幅值取H/1000施加于结构).约束结构底部的3个平动和3个转动自由度,并约束框架柱在顶梁处的平面外位移防止结构产生刚体位移.循环加载采用ABAQUS /Explicit[16]显式动力模块进行分析,输入钢材密度为7.8×10-9t/mm3,每个分析步的加载速率取0.5,采用自动的全局稳定增量步长估计,其余为默认设置,以保证整个加载过程中惯性力的影响很小,从而得到准确高效的准静态解.单调加载则采用ABAQUS/Standard静力通用(static general)进行分析,钢材本构模型采用双折线模型,强化阶段切线模量为0.02E.以文献[17]中非加劲钢板剪力墙SPSW-H2和文献[18]中交叉加劲钢板剪力墙SPSPW-HS2试件进行验证,材料属性按试验基础数据选取,利用混合本构模型,并输入材料的循环硬化属性,具体参数按表1选取.对比结果如图2和图3所示,数值模拟结果与试验滞回曲线基本吻合,并且能有效预测结构的破坏形态.模型为双层单跨钢板剪力墙结构,模型缩尺比为1∶3,考虑实际工程中大跨高比的情况,选取跨高比为2,考虑结构应符合“强框架,弱墙板”的设计原则,框架柱、梁采用Q345钢,内填钢板、槽钢加劲肋为Q235钢.钢板剪力墙结构的基本尺寸如图3所示.根据《钢板剪力墙技术规程》[19],边缘柱的截面惯性矩应符合式中:为柱截面惯性矩;为柱截面最小惯性矩;为剪切力分配系数;为内填钢板厚度;为梁跨,按框架柱轴线距离计算;为柱高,按框架梁轴线距离计算.其余模型在此基础上,保持梁、柱尺寸不变,改变内填板加劲形式(如表2及图4所示):①标准钢板剪力墙(SPSW-STA),内填板厚度为3mm.②竖向槽钢加劲钢板剪力墙(SPSW-VS),双面对称竖向布置3道5#槽钢,槽钢规格为50mm×37mm×4.5mm.③小区格对角加劲钢板剪力墙(SPSW-DS),中部布置一道竖向槽钢将内填板分割为两个方形小区格,在小区格内布置对角槽钢加劲肋.④对角加劲钢板剪力墙(SPSW-DS2),双面对称对角布置槽钢.⑤多道斜向加劲钢板剪力墙(SPSW-MOS),双面非对称布置3道斜向槽钢加劲肋.⑥单侧开洞-钢板剪力墙(SPSW-RO),在钢板剪力墙一侧开矩形洞,内填板开洞边一侧与边柱距离为300mm,开洞边设置50mm×4mm的方钢管加劲肋.⑦单侧开洞-多道斜向加劲钢板剪力墙(SPSW-MOSRO),在多道斜向槽钢加劲钢板剪力墙一侧开矩形洞,内填钢板一侧与边柱距离为300mm,开洞边设置50mm×4mm的方钢管加劲肋.⑧单侧开洞-对角加劲钢板剪力墙(SPSW-DSRO),在对角槽钢加劲钢板剪力墙一侧开矩形洞,内填钢板一侧与边柱距离为300mm,开洞边设置50mm×4mm的方钢管加劲肋.⑨两边连接-对角加劲钢板剪力墙(SPSW-DSRO2),内填板两侧与框架柱不连接,距离边柱300mm,并设置方钢管加劲肋.⑩两边连接-竖向加劲钢板剪力墙(SPSW-VSRO2),双面对称竖向布置3道槽钢,两侧与框架柱不连接,距离边柱300mm,并设置方钢管加劲肋.两边连接-钢板剪力墙(SPSW-RO2),与框架柱不连接,距离边柱300mm,两侧布置方钢管加劲肋.对考虑初始缺陷的模型进行加载,加载分为竖向荷载加载和水平荷载加载:为模拟实际使用中受到的上部荷载作用,首先在两个框架柱顶分别施加350kN轴力(轴压比为0.2),分两步进行加载,并且保持不变.为方便对模型进行对比,水平荷载通过位移控制进行加载,以依次增大的层间位移角为位移幅值进行循环加载,每级循环2次,共循环12次,最大加载幅值为60mm,超过《钢板剪力墙技术规程》中规定的弹塑性层间位移角1/50(50mm),加载制度如图5所示.由于钢材在循环荷载作用下发生循环硬化和损伤积累,与单调荷载作用下有很大区别,并且在循环加载过程中,钢板屈曲后产生的拉力带方向不断改变,框架柱受拉力带作用产生局部屈曲等原因,使得结构随循环次数的增加而出现承载力下降的情况.各模型的整体滞回曲线如图6所示.从图6中可以看出,对于四边连接的钢板剪力墙(图6(a)~(e)),非加劲钢板剪力墙在屈曲后,形成的拉力带改变方向时,结构的承载力和刚度都有明显下降,滞回曲线有明显的“捏缩”,呈反S型.通过采用加劲的形式能有效地改善钢板剪力墙的“捏缩”现象.相比于竖向加劲钢板剪力墙(SPSW-VS),斜向加劲(对角加劲DS、多道斜向加劲MOS)的滞回曲线呈现为饱满的梭形,承载力更高,耗能能力更强,表明斜向加劲相对于竖向加劲效果更佳,能在内填板屈曲后起到增大拉力带的效果,提高结构承载力,但需要注意的是斜向加劲形式起到增大拉力带作用的同时,对框架柱的附加弯矩也随之增大,因此随着循环次数和水平位移的增加,框架柱会发生更严重局部屈曲,导致结构后期的承载力有所下降.对于单侧开洞的钢板剪力墙(图6(f)~(h)),相比于四边连接承载能力有所降低,方钢管加劲肋的设置为开洞边提供了一定的约束作用,有利于拉力带的形成和发展.其中多道斜加劲形式(MOSRO)后期承载力下降较对角加劲形式(DSRO)小,基本能保持稳定.对于两边连接的钢板剪力墙(图6(i)~(k)),由于两侧都失去了框架柱的约束作用,并且内填板面积减小,结构的承载能力较低,对角加劲(DSRO2)和竖向加劲(VSRO2)同样能明显改善钢板剪力墙的“捏缩”现象,对角加劲钢板剪力墙的滞回曲线更加饱满.骨架曲线能反映结构在弹性阶段、弹塑性阶段和塑性流动阶段的屈服强度、极限承载力和延性等.第一次循环峰值的包络线所形成的骨架曲线如图7所示,不同加劲形式对钢板剪力墙的承载能力、退化特性等性能有着不同程度的影响.从图7中可以看出,各结构的极限位移角均超过《钢板剪力墙技术规程》中1/50(即0.02rad),1层的极限位移角都大于0.02rad,表现出良好的变形能力,而2层层间位移角相对较小,在0.02rad左右.从图7(a)~(c)可看出,3种斜加劲形式(DS、DS2和MOS)的钢板墙2层在加载后期,随层间位移角增大承载力下降较为严重,这是由于斜加劲形式对框架柱的附加作用,并且在倾覆力矩作用下,1层的框架柱角部过早发生局部屈曲,影响了结构的抗侧能力,结构承载能力出现下降.而竖向加劲(VS)形式对框架柱产生的附加作用相对较小,骨架曲线与标准形式(STA)基本一致.对于单侧开洞形式(图7(d)~(f)),结构的承载力明显降低,但通过布置斜向加劲肋,能弥补开洞造成的承载力损失,达到未开洞时的承载能力.从图7(g)~(i)中能看出,两侧的开洞使得结构承载力降低的程度更大,但两边连接形式(RO2)不与框架柱连接,使得框架柱所受的附加弯矩和倾覆力矩的组合效应大大减弱,结构在循环加载后期,仍能保持较稳定的承载能力.延性反映了结构在结构发生较大的非线性变形时保持强度的能力,可由位移延性系数对结构的延性进行评价,位移延性系数为极限位移与屈服位移的比值.屈服位移通常可用几何作图法、等能量法和Park法进行求解[20].本文采用等能量法求解结构的屈服位移,整体模型主要结果如表3所示.从表3中可以看出,四边连接和单侧开洞的延性系数m基本在3.45~3.79,其中多道斜加劲钢板墙(SPSW-MOS)延性最低,为3.10.两边连接形式能明显提高结构的延性,均超过4.00,其中两边连接竖向加劲(VSRO2)延性最高,达到了5.22.《钢板剪力墙技术规程》中规定了钢板剪力墙的变形限制:弹性层间位移角不宜大于1/250,弹塑性层间位移角不宜大于1/50.不同加劲形式的钢板剪力墙承载力及刚度见表4和表5.由表4可以看出,不同的加劲形式还能不同程度地提高钢板剪力墙的承载能力,其中竖向加劲钢板墙(SPSW-VS)的循环承载力峰值提高9%;小区格对角加劲钢板剪力墙(SPSW-DS)提高最为明显,循环承载力峰值提高38%;而对角加劲(DS2)和多道斜加劲(MOS)形式也有30%左右的提升,同样是优异的加劲形式.对于单侧开洞或两边连接形式,开洞率(开洞面积占整体墙面面积)分别为15%和30%,循环承载力峰值分别下降20%和44%.可以通过加劲形式提高结构承载力近弥补开洞造成的承载力损失,并且斜加劲形式比竖向加劲形式更有效,对钢板剪力墙的承载力提高更显著.由表5可以看出,非加劲钢板剪力墙(SPSW-STA)初始刚度达到了125.29kN/mm;在1/250层间位移角时,非加劲钢板剪力墙(SPSW-STA)的割线刚度达到了86.89kN/mm;在1/50层间位移角时,非加劲钢板剪力墙(SPSW-STA)的割线刚度达到了23.99kN/mm. 竖向加劲能提高约37%的初始刚度,小区格对角加劲钢板剪力墙(SPSW-DS)提高最为明显,达到64%,而对角加劲和多道斜加劲形式也有50%左右的提升.结构达到1/250层间位移角时,竖向加劲形式比非加劲形式的钢板剪力墙刚度仅高约6%,而3种斜加劲形式比非加劲形式刚度提高约34%~39%,说明在结构屈曲后,竖向加劲形式对结构刚度的提高有限,而斜向加劲形式能继续提高结构的抗侧刚度.对于单侧开洞和两边连接形式的钢板剪力墙,刚度明显低于四边连接形式,并且斜向加劲形式对刚度的提高仍然明显.结构的滞回环所包围的面积是结构吸收能量转化为非弹性变形的能量,滞回环面积越大,结构耗散的能量也就越多.模型随循环次数的增加,累积能量耗散(各循环的滞回环面积累加)如图8(a)所示,最终结构能量耗散如图8(b)所示,1层能量消耗用黑色条带表示,2层能量消耗用红色条带表示,1层能量消耗占总消耗能量用白色数字表示,黑色数字表示不同加劲形式钢板墙的总消耗能量与标准钢板墙的总消耗能量的比值,用百分数表示.从图8中可以看出,对于四边连接的钢板剪力墙,1层能量消耗占比为57%~64%,其中对角加劲形式(DS2)占比最大,竖向加劲形式(VS)占比最小;侧边开洞则减小了1层能量消耗的占比,达到53%~60%.开洞形式(RO和RO2)降低了钢板剪力墙的耗能能力,相比标准钢板剪力墙,能量消耗降低了30%~40%.通过采用加劲的形式能明显提升钢板剪力墙的耗能能力,其中小区格对角加劲形式(DS)消耗的能量提高了1.9倍,而竖向加劲形式(VS)相对于其他形式则提升较弱,但也提高了1.3倍的耗能能力.对于开洞形式的钢板剪力墙,采用加劲肋同样也能明显提升结构耗能能力,其中单侧开洞-多道斜加劲形式(MOSRO)效果最好,相比非加劲形式(RO)提高了近2倍能量消耗能力.评价结构的耗能能力一般还采用能量耗散系数来表示,即式中:表示滞回曲线面积,如图9所示(阴影填充部分);表示虚线围成的三角形面积.能量耗散系数越大,表明滞回曲线越饱满,结构的耗能能力越强.钢板剪力墙模型的能量耗散系数如图10所示,横坐标为图9中的E、F点之间的距离变化.从图10(a)可以看出,对于四边连接形式的钢板剪力墙,设置加劲肋能有效地延缓钢板的屈曲,改善滞回曲线的“捏缩”现象,能量耗散系数都要明显地高于非加劲钢板剪力墙,其中,斜加劲钢板剪力墙的能量耗散系数随位移幅值的增大而不断增大,几乎呈线性增长,并且多道斜加劲形式(MOS)的能量耗散系数最大;而竖向加劲和非加劲形式的能量耗散系数后期增长缓慢.从图10(b)可看出,对于单侧开洞的钢板剪力墙,多道斜加劲(MOS)与对角加劲(DS)比非加劲提高约30%能量耗散系数,两种斜加劲形式的能量耗散系数变化较为接近,并且三者的变化趋势较为一致.从图10(c)能看出,两边连接形式的钢板剪力墙(RO2)的能量耗散系数要高于四边连接和单侧开洞,并且竖向加劲(VS)和对角加劲(DS)形式对两边连接钢板剪力墙能量耗散系数的提高都很明显.从图10(d)可以看出,两边连接-对角加劲形式(DSRO2)能量耗散系数最大,是标准钢板墙的1.7倍,达到了2.77;3种斜加劲形式对结构的能量耗散系数提升约40%,而竖向加劲形式仅提升17%,采用斜加劲能更有效地发挥加劲肋的作用.在循环荷载作用下,结构发生局部屈曲、塑性变形,导致承载力不断退化,等幅度循环荷载作用下结构的稳定性一般用承载力退化系数来表示,即式中:表示j倍屈服位移加载时,第i+1次循环对应的峰值荷载;表示j倍屈服位移加载时,第i次循环对应的峰值荷载.承载力退化系数越大,表明结构承载力下降越慢,能够维持稳定的抗侧能力.结构整体承载力退化系数如图11所示.从图11中可以看出,四边连接形式的钢板墙承载力退化系数均高于0.80,其中竖向加劲和非加劲形式承载力退化系数大于0.90,抗侧能力稳定;而3种斜加劲形式的承载力在循环后期均出现严重退化,这是由于增强拉力带使得对框架柱的附加弯矩作用增大,同时在竖向荷载产生的倾覆力矩作用下,框架柱过早发生局部屈曲,不能维持较高的承载力,出现大幅的下降.钢板剪力墙模型的在往复荷载作用下的最终形态如图12所示,图中阴影表示结构在整个加载过程中受拉和受压产生的塑性应变绝对值的累积结果,即等效塑性应变(PEEQ),塑性应变累积越大,钢材越容易发生断裂,由此可以预测钢板剪力墙结构的断裂和破坏位置(图中PEEQ值相对于单个结构本身).由图12中可以看出,所有模型的1层框架柱角部均有不同程度的屈曲变形,形成明显的塑性铰,是钢板墙结构中相对薄弱的部位.对于非加劲钢板剪力墙(STA、RO和RO2),墙体出现明显的双向拉力带,拉力带方向约为45°,在双向拉力带交汇处的等效塑性应变PEEQ较大,钢板容易发生疲劳断裂.对于竖向加劲钢板剪力墙(VS、VSRO2),由于槽钢加劲具有很大的抗弯刚度和抗扭刚度,将墙板分为宽高比较大的小区板,并且加劲肋作为小区格的边缘构件,使得拉力带在小区格内能够充分发展,因此该类型的钢板剪力墙的墙板等效塑性应变PEEQ分布较为均匀.对于不同形式的斜向加劲钢板剪力墙(DS、DS2、MOS和DSRO),加劲肋将墙板分割为三角形小区块,受拉(受压)加劲肋在墙板屈曲后起到增大拉力带(或撑杆)的效果,这明显增大了对框架柱的附加弯矩,并且在竖向荷载产生的倾覆力矩作用下更进一步加重了框架柱的局部屈曲.因此在进行设计时,需要增大柱截面或使用更刚强的截面形式,如方钢管框架柱等.从另一方面考虑,斜向加劲肋对钢板剪力墙的承载力和刚度都有大幅度的提升,并且在内填钢板屈曲后参与抵抗水平力和耗能,可以考虑进一步减小内填钢板厚度,通过设置斜向加劲肋以达到较厚墙板的效果.对比DS、DS2、MOS、MOSRO可以看出,若结构的跨高比较大,则不适合采用对角加劲形式,因为它会使得加劲肋长细比较大,容易失稳发生屈曲而失去加劲效果,建议采用小区格对角加劲或多道斜向加劲形式.选取钢板剪力墙模型各部件的PEEQ最大值进行对比,如图13所示.可以看出,非加劲钢板剪力墙和竖向加劲钢板剪力墙各构件的PEEQ最大值基本小于1,受力较为均匀.而对于斜加劲形式的钢板剪力墙,内填钢板PEEQ值非常大,这是由于斜加劲肋与边缘构件留有一定的距离,因此内填板在加劲肋的两端部分在循环过程中不断发生受拉和受压,容易累积塑性变形,进而导致内填板角部的断裂.可以考虑在加劲肋端部设置垫板或其他措施以加强内填板在加劲肋端部的强度,避免影响钢板剪力墙性能的发挥.图14为钢板剪力墙结构在1/50位移角和最终时刻的钢板墙平面外变形最大值.从图中可以看出,在1/50位移角时,标准钢板墙及两边连接钢板墙的1层、2层平面外位移几乎一致,而其他类型的1层面外位移均大于2层.竖向加劲和小区格对角加劲形式对钢板的面外屈曲有很好的限制效果,都明显低于未加劲的情况.而斜加劲形式DS2、MOS和DSRO由于对框架柱的附加作用大大增加,使得柱脚过早局部屈曲,钢板墙发生较大的面外变形.不同加劲肋形式对两边连接形式(RO2)的面外变形始终有良好的限制作用,框架柱未出现严重的局部屈曲,钢板的面外位移都低于未加劲的情况.本文建立了11个双层单跨钢板剪力墙的缩尺模型,考虑了不同加劲形式以及不同的框-板连接形式(包括四边连接、单侧开洞和两边连接形式),对模型进行了非线性有限元分析,研究了不同形式的加劲钢板剪力墙的抗震性能,得出以下结论.(1) 设置加劲肋能明显改善钢板剪力墙的“捏缩”现象,并提高结构的抗侧能力和刚度,其中竖向加劲形式在墙板屈曲后,刚度提升效果下降;而斜向加劲在屈曲后,结构仍能保持较高的刚度,是一种高效的加劲形式.(2) 两边连接形式由于不与框架柱连接,拉力带的发展受到限制,承载力和刚度有明显的下降.但该形式能提高钢板墙结构的延性,并有效地减弱钢板墙拉力带对框架柱的不利影响;通过设置加劲肋,钢板墙结构的滞回曲线呈饱满的梭形,承载力退化程度低,能量耗散系数提高,具有良好的稳定性和耗能能力.。
防屈曲耗能钢板剪力墙在现代建筑结构设计中,安全性和稳定性始终是首要考虑的因素。
为了应对地震、强风等自然灾害以及各种复杂的荷载作用,工程师们不断探索和创新,研发出了一系列高性能的结构构件,其中防屈曲耗能钢板剪力墙就是一项重要的创新成果。
那么,什么是防屈曲耗能钢板剪力墙呢?简单来说,它是一种能够有效抵抗水平荷载,同时通过自身的变形来消耗能量的结构构件。
传统的钢板剪力墙在受到较大水平力作用时,钢板容易发生局部屈曲,从而影响其承载能力和耗能性能。
而防屈曲耗能钢板剪力墙通过在钢板两侧设置约束构件,有效地限制了钢板的屈曲,从而大大提高了其承载能力和耗能能力。
防屈曲耗能钢板剪力墙的工作原理可以这样理解。
当水平荷载作用于建筑物时,剪力墙会承受并传递这些荷载。
在这个过程中,钢板会发生变形,而这种变形能够将输入的能量转化为热能等形式进行消耗。
由于有了防屈曲的约束,钢板能够在更大的变形范围内工作,从而消耗更多的能量,减轻主体结构的损伤。
这种结构构件具有许多显著的优点。
首先,它能够提供较大的抗侧刚度,增强建筑物在水平方向上的稳定性。
这对于高层建筑和对抗震要求较高的建筑来说至关重要。
其次,其良好的耗能能力可以有效地减轻地震等灾害对建筑物的破坏,保护人员和财产的安全。
再者,防屈曲耗能钢板剪力墙的施工相对较为简便,可以在一定程度上缩短工期,降低工程成本。
在实际应用中,防屈曲耗能钢板剪力墙需要根据具体的建筑结构和设计要求进行合理的布置。
一般来说,它可以布置在建筑物的核心筒、框架结构的周边等位置,以形成有效的抗侧力体系。
同时,在设计过程中,还需要考虑钢板的厚度、约束构件的形式和参数等因素,以确保剪力墙能够发挥最佳的性能。
为了更好地了解防屈曲耗能钢板剪力墙的性能,科研人员进行了大量的试验研究。
通过模拟地震作用等加载条件,对不同参数的剪力墙进行测试,获取其承载能力、变形能力、耗能能力等关键数据。
这些试验研究为工程设计提供了重要的依据,使得防屈曲耗能钢板剪力墙在实际工程中的应用更加科学、合理。
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。
建筑技术・Construction Technology150 大陆桥视野·2016年第14期前言地震是人类始终要面临的最为严重的自然灾害之一,抗震减灾研究已成为关系到国家财产和人民安全的大事。
我国是一个地震多发国家,地震发生区域广阔而分散,地震强度大,震源深度浅,而且发生频繁,地震对国家和人民都带来了严重的影响[1]。
因此,工程结构的抗震问题在国民经济的建设中便显得尤为重要。
钢结构由于自重轻、结构性能好、施工速度快等原因已成为高层以及超高层建筑的主要结构体系,但高层及超高层建筑受水平地震荷载和风荷载的作用比较严重,为了既满足建筑物在风载及常遇地震下人们舒适性和安全感的要求,又保证地震时建筑物具有柔性的特点。
因此期望研究出一种在正常使用时刚度大,当遇到强烈地震作用时可吸收地震能量,而且在刚度又较低的新型抗震结构。
由于钢结构自身的抗侧刚度,因此研究各种抗侧力构件已经成为钢结构研究中的一个重要课题。
一、国内研究现状及分析国内学者对剪力墙的研究,相对起步比较晚。
同济大学、清华大学、天津大学、北京工业大学、东南大学、西安建筑科技大学等单位做了很多研究工作。
由于传统现浇钢筋混凝土剪力墙结构自重大、刚度大、地震作用大、延性差并且以受剪破坏为主,在发生强震时容易产生脆性破坏等诸多缺点,为此,不少学者又开始研究改善剪力墙抗震性能的措施。
我国对带竖缝钢板剪力墙的研究目前还处于初级阶段,国内对钢板剪力墙的系统研究也比较少。
同济大学李国强[2]等进行过钢板外包混凝土剪力墙板的低周反复荷载模型试验得出,钢板剪力墙经混凝土外包以后具有很大的刚度和承载力,并且有很好的延性,但由于混凝土的施工周期长,严重影响了钢结构的施工工期。
清华大学郭彦林,陈国栋等[3-5]对薄钢板剪力墙和设置十字型加劲肋的钢板剪力墙进行过抗剪承载力研究,提出了薄钢板剪力墙和设置十字加劲肋钢板剪力墙抗剪承载力的简化设计公式。
河北省地震工程研究中心[6]对在混凝土框架中使用的薄钢板剪力墙进行了试验,试验表明薄钢板剪力墙可用于地震地区既有建筑的加固或者作为新建筑的抗侧力体系,建议钢板的高厚比宜大于 800。
钢板剪力墙抗震性能研究综述摘要:本文介绍了一种新型高层钢结构抗侧力构件-钢板剪力墙。
对不同形式的钢板剪力墙进行了分类,并对它们的工作性能分别加以了说明和评价。
结合两边连接的连接形式以及竖向加劲的方式的优点,本文提出了一种新型钢板剪力墙-两边连接竖向加劲式钢板剪力墙。
关键词:钢板剪力墙两边连接抗震性能Seismic Performance of Steel Plate Shear WallAbstract:As a new lateral force resisting member adopted in high-rising steel building, steel plate shear wall (SPSW) was presented. Mechanical performance of SPSW with different details was discussed. Beam-connecting SPSW stiffened with vertical ribs was proposed, considering the merits of beam-connecting style and stiffening with vertical ribs style.Keywords: steel plate shear wall (SPSW), beam-connecting, seismic performance1. 引言钢板剪力墙结构单元由内嵌钢板及边缘构件(梁、柱)组成。
钢板与梁、柱构件通过连接板采用焊接或者螺栓连接。
它具有相对较大的初始刚度,能够有效地控制结构在地震下的侧向位移,并且自身具有良好的延性和相对优越的耗能能力。
钢板墙自重轻,相比混凝土剪力墙降低了对基础的负担。
钢板墙墙体结构厚度薄,为建筑提供了更多的使用空间,是一种有效的新型抗侧力构件。
当钢板墙沿结构某跨连续布置时即形成钢板墙体系。
“滞回性能研究”资料文集目录一、钢板剪力墙与组合剪力墙滞回性能研究二、自复位钢框架半圆形波纹钢板剪力墙滞回性能研究三、箱形截面构件相关稳定承载力及滞回性能研究四、一种新型梁柱装配式刚性节点滞回性能研究五、钢管约束型钢高强混凝土柱滞回性能研究六、防屈曲钢板剪力墙弹塑性抗剪极限承载力与滞回性能研究钢板剪力墙与组合剪力墙滞回性能研究标题:钢板剪力墙与组合剪力墙滞回性能的比较研究摘要:本文旨在对比研究钢板剪力墙与组合剪力墙的滞回性能,通过实验测试和有限元模拟,分析两种剪力墙在不同加载条件下的滞回特性。
通过对实验结果和模拟结果的比较分析,本文得出了一些有意义的结论,为进一步了解钢板剪力墙与组合剪力墙的滞回性能提供了参考。
引言:随着建筑行业的快速发展,高层建筑的数量不断增加,对建筑结构的安全性和稳定性要求也越来越高。
剪力墙作为高层建筑中的重要结构部件,其滞回性能对建筑物的安全性和稳定性具有重要影响。
因此,本文选择了钢板剪力墙和组合剪力墙作为研究对象,对其滞回性能进行对比研究,以期为高层建筑剪力墙的设计提供一些理论依据和实践指导。
正文:本文首先介绍了研究背景和相关概念,明确了研究的目的和意义。
然后,通过查阅相关文献、采访专家和实地调研,收集了大量有关钢板剪力墙和组合剪力墙滞回性能的资料。
接着,对这些资料进行了整理和分析,梳理出了自己的研究思路。
在研究思路的基础上,本文采用实验测试和有限元模拟两种方法,对钢板剪力墙和组合剪力墙的滞回性能进行了深入研究。
实验测试中,本文制作了两种剪力墙的模型,通过加载试验,测量了它们的滞回曲线和基本力学性能。
有限元模拟方面,本文利用ANSYS软件建立了一系列模型,分析了在不同加载条件下的滞回特性。
通过对比实验测试和有限元模拟的结果,本文发现,钢板剪力墙和组合剪力墙都具有较好的滞回性能。
在低加载条件下,两种剪力墙的滞回曲线均表现出较好的线性关系。
但是,在高加载条件下,钢板剪力墙的滞回曲线开始出现曲化现象,而组合剪力墙的滞回曲线仍然保持较好的线性关系。
带缝钢板剪力墙弹性屈曲性能研究近年来,工程结构的安全性和可靠性逐渐成为越来越重要的议题。
由于房屋及公共建筑结构中受力往往比较复杂,以及这些结构受到污染物质、热变形和本构损伤等外部因素的影响,所以结构的弹性性能受到很大影响,使得新的研究领域有了很大空间。
在建筑工程中,剪力墙是显著的抗震结构,它在抗震性能上占了很大的比重,因此研究剪力墙的弹性屈曲性能就成为了建筑防震的一大重点。
带缝钢板剪力墙是采用双层钢板或单层夹层钢板制成的剪力墙,它在同样的应力范围内有更好的抗拉抗弯性能,使得它被广泛应用于工程建设中。
为了更好地了解带缝钢板剪力墙的弹性屈曲性能,本研究针对带缝钢板剪力墙进行了弹性屈曲性能实验研究。
在实验中,主要考察了带缝双层钢板剪力墙和带缝单层夹层钢板剪力墙的屈曲性能,具体研究内容包括计算模型的建立、屈曲性能的宏观测试和局部失效屈曲机理的研究。
经过实验研究,可以发现,带缝双层钢板剪力墙的抗拉性能明显优于带缝单层夹层钢板剪力墙。
此外,更为重要的是,在双层钢板剪力墙中,当应力和变形增大时,双层钢板中间空隙发生拉伸变形,并发生本构键断,使得双层钢板剪力墙的屈曲性能得以提高;而单层夹层钢板剪力墙中,中间空隙只出现填充失效,而未发生本构键断,所以变形能力较低。
本研究也考察了双层钢板剪力墙和单层夹层钢板剪力墙在不同应力水平下屈曲机理中的不同。
研究表明,在低应力水平下,双层钢板剪力墙和单层夹层钢板剪力墙的局部失效机理都是以钢板破坏为主;但是,随着应力水平的增加,双层钢板剪力墙在钢板破坏之前就已经发生局部本构键断,使得双层钢板剪力墙的屈曲性能明显优于单层夹层钢板剪力墙。
综上所述,本文通过实验研究得出,带缝双层钢板剪力墙和带缝单层夹层钢板剪力墙在屈曲性能方面存在明显差异,双层钢板剪力墙的屈曲性能明显优于单层夹层钢板剪力墙,这主要是由于其发生本构键断的缘故。
本文的研究结果可以为建筑结构的安全性和可靠性提供参考。
结束语:本文通过实验研究,对带缝钢板剪力墙的弹性屈曲性能进行了研究,得出双层钢板剪力墙的屈曲性能明显优于单层夹层钢板剪力墙,这主要是由于其发生本构键断的缘故。
低屈服点钢板剪力墙的探讨本小节的模型尺寸:框架梁的截面尺寸为H600×450×20×30mm,框架柱的截面尺寸为H600×600×35×40mm;剪力墙板的尺寸是3000×3000mm,厚度为10mm。
剪力墙板采用LYP160,钢框架梁、柱构件采用普通的传统钢材Q345。
对于这两种单层单跨模型,提取了梁柱刚接与梁柱铰接的整体滞回曲线、骨架曲线、刚度-位移曲线等。
1.1滞回性能比较滞回性能是结构抗震性能的一个重要指标。
为了比较两种连接方式的滞回性能,分别提取了各模型的顶点位移与加载点处的水平荷载,得到的关系曲线称为滞回曲线,如图1.1所示。
图1.1 有限元模型滞回曲线Fig.1.1 Hysteresis curves of finite element models梁柱节点刚接与梁柱节点铰接钢板剪力墙在屈服前,由于结构都基本处于弹性受力阶段,变形极小,消耗的能量很少,荷载和位移之间基本都呈直线变化,滞回环面积接近于零。
随着荷载的增大,结构由弹性阶段进入弹塑性阶段,滞回曲线开始向位移轴倾斜,面积增大,形状由原来的“梭形”向“反S 形”过渡;梁柱刚接与梁柱铰接的滞回曲线的捏缩程度不同,梁柱刚接的低屈服点钢板剪力墙模型比较饱满,说明梁柱刚接钢板墙比梁柱铰接结构具有更好的滞回性能,这是由于节点固接,使得中间钢板更容易产生变形而耗能,其底部剪力-位移曲线的整个加载过程如图1.2所示。
(a)第一加载级(b)第二加载级(c)第三加载级(d)第六加载级(e)第八加载级(f)第十加载级图1.2 不同加载级的滞回环曲线Fig.1.2 Hysteresis loop curve at different loading levels由滞回曲线的外包络图得到两种梁柱连接方式的骨架曲线,如图1.3所示。
由图1.3可知:梁柱刚接与梁柱铰接的骨架曲线较为平缓,可以看出两者的骨架曲线基本一致,梁柱刚接的极限承载力略高于梁柱铰接。
三类薄钢板剪力墙滞回性能及选型曹正罡;杜鹏;邱星玮;范峰【摘要】为研究四边连接、两边连接及开竖缝薄钢板剪力墙的滞回性能并对其设计选型提出建议,利用ANSYS有限元软件对三类薄钢板剪力墙的滞回性能进行数值模拟研究,对比分析了三类薄钢板剪力墙在低周往复荷载作用下的初始刚度、峰值承载力、耗能性能以及延性.分析结果表明:三类薄钢板剪力墙均具有良好的延性和耗能能力;四边连接和两边连接薄钢板剪力墙的滞回曲线有一定程度的捏缩,但其初始刚度和峰值承载力较高,可用作高层或高烈度区的多层钢结构住宅的抗侧构件;开竖缝薄钢板剪力墙的滞回曲线呈饱满的梭形,但其初始刚度和峰值承载力较低,可用作低层或低烈度区的多层钢结构住宅的抗侧构件.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2014(046)010【总页数】7页(P10-16)【关键词】四边连接;两边连接;开缝;薄钢板剪力墙;滞回性能【作者】曹正罡;杜鹏;邱星玮;范峰【作者单位】哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室,150090哈尔滨;哈尔滨工业大学土木工程学院,150090哈尔滨;哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室,150090哈尔滨;哈尔滨工业大学土木工程学院,150090哈尔滨;镇江市中建地产有限公司,212000江苏镇江;哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室,150090哈尔滨;哈尔滨工业大学土木工程学院,150090哈尔滨【正文语种】中文【中图分类】TU392.5钢板剪力墙是20世纪70年代发展起来的一种高效抗侧力构件,它由内填钢板及其边缘约束构件组成.根据内填钢板宽厚比(λ)的大小,钢板剪力墙可划分为薄钢板剪力墙(λ≥250)和中厚钢板剪力墙(λ<250).薄钢板剪力墙通过钢板屈曲后沿对角线方向形成的拉力带为结构提供水平抗力,具有良好的经济性能[1].内填钢板四边与框架梁、柱均连接时为四边连接薄钢板剪力墙,其内填钢板屈曲后形成的拉力带锚固在框架梁、柱上,将使柱内产生附加弯矩并过早地破坏,影响结构的抗震性能.为此Xue等[2-3]于1994年提出了内填钢板仅与上下钢梁连接的两边连接薄钢板剪力墙.因其仅通过钢梁锚固拉力带,可避免对钢柱的不利影响. 四边连接和两边连接薄钢板剪力墙在受力初期均以内填钢板的剪切受力为主,极易发生剪切屈曲,滞回环存在一定程度的捏缩现象;另外,还存在因实际可使用钢板的最小厚度大于结构设计所需内填钢板厚度,造成结构刚度过大,地震作用偏高,边缘约束构件截面尺寸大幅增大等问题.日本学者Hitaka等[4]提出了开竖缝薄钢板剪力墙的概念,即通过在内填钢板上开设竖缝,使其变形模式由整体剪切变形变为竖缝间小柱的弯曲变形.试验证明这类剪力墙的抗侧刚度相对较小,但其滞回环饱满,当内填钢板厚度不变时,可通过开缝参数方便地调整其抗侧刚度及承载力. 目前在中国钢结构住宅结构体系研究及应用中,抗侧力构件采用薄钢板剪力墙的结构还不多见.结合住宅体系中梁柱截面和柱距特点,针对薄钢板剪力墙的动力特性、耗能作用的对比分析以及选型研究也较少.为此通过有限元软件ANSYS对四边连接、两边连接以及开竖缝薄钢板剪力墙在低周往复荷载作用下的受力性能进行对比分析,为钢结构住宅结构体系中抗侧力构件的选型设计提供参考.1 薄钢板剪力墙的数值建模及验证1.1 模型建立为考虑边缘约束构件的影响,利用Shell181单元建立了单层单跨钢框架-薄钢板剪力墙结构的数值分析模型,如图1所示.钢材本构采用双线性随动强化模型,其中弹性模量为206 GPa,切线模量取为2%的弹性模量,屈服强度为235 MPa.图1 薄钢板剪力墙数值分析模型模型采用一致缺陷模态法施加初始缺陷,即通过屈曲分析,得到薄钢板剪力墙的一阶屈曲模态,如图2所示,并按该模态的变形分布施加初始缺陷,最大面外变形取为内填钢板宽度的1‰.图2 薄钢板剪力墙一阶屈曲模态(面外变形云图)通过约束钢柱和内填钢板底部节点的平动及转动自由度模拟基础的嵌固作用,如图3(a)所示;为防止钢梁发生面外位移,约束钢梁中轴线处节点在其腹板平面外的平动自由度,如图3(b)所示.图3 数值模型边界条件通过耦合加载区节点的平动自由度形成加载刚性面,以减小加载区应力集中的影响,如图4所示.图4 数值模型加载端刚性面1.2 模型验证选用文献[5]中试件SPSW-H-2的滞回试验数据对本文的建模方法进行验证,其中试件SPSW-H-2的梁、柱和内填钢板的尺寸及材料性能如表1所示,试验加载制度如表2所示.根据本文建模方法建立数值模型并加载分析后所得模拟曲线与试验曲线对比如图5所示,相应的承载力对比如表3所示.数值模拟所得滞回曲线能够反映试验曲线的基本特征,且试验及模拟所得各级荷载作用下试件的峰值承载力也相差不大,说明本文所采用的数值建模及分析方法能够合理地跟踪整个试验过程.但因模拟所用材料模型及构件间连接均为理想情况,未能模拟试验过程中所发生的内填钢板开裂及连接滑移等现象,模拟曲线与试验曲线在卸载段存在一定程度的分离,各级承载力也有所差别.表1 试件SPSW-H-2的构件尺寸及材料参数[5]构件构件尺寸/mm σy/MPaE/GPa钢梁HN300×150×6.5×9 295 201钢柱HW150×150×7×10 302 199内填板板厚t=3.5 340 205表2 试件SPSW-H-2的加载制度[5]荷载级别荷载循环圈数加载类型1 100 kN 1 力2 200 kN 1 力3 300 kN 1 力4 400 kN 1 力5 9.0 mm 3 位移6 15.0 mm 3 位移7 21.5 mm 3 位移8 28.0 mm 3 位移9 34.0 mm 3 位移图5 SPSW-H-2的试验滞回曲线与本文模拟曲线对比2 钢框架-薄钢板剪力墙试件设计Lubell等[6]学者在对两个单层单跨四边连接薄钢板剪力墙进行低周往复加载试验后发现:如钢柱截面过小,试件将出现明显的“沙漏”现象,即薄钢板的拉力带作用会使钢柱过早弯曲,而后拉力带效应转移到刚度较大的钢梁上,导致内填钢板部分区域不能发挥作用.为避免该现象,美国规范 FEMA450[7]和 ANSI/AISC 341-10[8]及加拿大规范CAN/CSA S16-01[9]均要求框架柱绕垂直于内填钢板平面的主轴的截面惯性矩满足式(1)的要求:式中:Ⅰc为钢柱的惯性矩,tw为内填钢板厚度,h为水平边缘约束构件轴线间距,L为竖向边缘约束构件轴线间距.根据钢结构住宅中常用构件截面以及层高,本文选用钢柱截面为HW300×300×10/15,钢梁截面为HN300×150×6.5/9,模型的其他基本尺寸如表4所示.为考虑框架跨度的影响,本文以钢结构住宅中常用跨度(L)作为分析参数,取值如表5所示.将上述L、h以及tw带入式(1)可知,钢柱截面满足刚度要求.表3 各级荷载作用下试件峰值承载力对比荷载级别实测值/kN 模拟值/kN 承载力差别/%1 100 100 0 2 200 200 0 3 300 300 0 4 400 400 0 5 549 582 6.01 6 628 646 2.87 7 670 657 -1.94 8 678 653 -3.69 9 613 647 5.55表4 模型基本尺寸层高/m 内填板高/m 内填钢板高厚比内填板厚/mm 2.8 2.5 300 8表5 模型跨度及内填钢板宽度序号框架跨度/m 内填钢板宽度/m四边连接两边连接开竖缝1 1.8 1.5 1.3 1.3 2 2.4 2.1 1.9 1.9 3 3.0 2.7 2.5 2.5 4 3.6 3.3 3.1 3.1 5 4.2 3.9 3.7 3.7 6 4.8 4.5 4.3 4.3 7 5.4 5.1 4.9 4.9两边连接和开竖缝薄钢板剪力墙的梁、柱构件截面,模型基本尺寸以及框架跨度与四边连接薄钢板剪力墙相同.但两边连接和开竖缝薄钢板剪力墙中的内填钢板均不与钢柱连接,且其两侧与相应侧钢柱之间的预留间隙均为100 mm,板宽如表5所示.由于内填钢板两侧与钢柱分离形成自由边,在水平剪切荷载作用下极易发生自由边失稳,需在内填钢板两侧设置加劲肋,其厚度(ts=12 mm)取为 1.5 倍的内填钢板厚度[10],宽度(Ws=180 mm)取为15倍的加劲肋厚度(ts).开竖缝薄钢板剪力墙可通过开缝参数灵活地调整其抗侧刚度及承载力[4].为便于分析,本文统一采用表6所示开缝参数,其中H、W分别为内填钢板的高度和宽度,b、h分别为缝间小柱的宽度和高度,Hu、Hm、Hd分别为上、中、下壁高度,m 为开缝排数,d为开缝宽度,参数意义如图6所示.表6 开竖缝薄钢板剪力墙开缝参数b/m h/m Hu/m Hm/m Hd/m d/m 0.10 0.50 0.38 0.12 0.38 0.013 薄钢板剪力墙滞回性能对比分析根据上述模型参数及建模方法建立有限元模型并在加载刚性面处施加由位移控制的水平往复荷载以进行三类薄钢板剪力墙的滞回性能分析.根据JGJ99—98《高层民用建筑钢结构技术规程》[11]规定的弹塑性层间位移角限值1/70以及GB50011—2010《建筑抗震设计规范》[12]规定的弹塑性层间位移角限值1/50的要求,本文加载制度为从0到40 mm,每级荷载增量5 mm,且正负向循环一圈.根据JGJ101—96《建筑抗震试验方法规程》[13]关于构件的破坏荷载及相应变形的规定,模型的极限荷载和变形取为层间侧移达到40 mm时或承载力达到峰值后又下降到其峰值的85%时所对应的荷载及变形.图6 开竖缝薄钢板剪力墙开缝参数3.1 滞回曲线限于篇幅,仅将三类薄钢板剪力墙典型的滞回曲线示于图7(WF表示四边连接薄钢板剪力墙,WT表示两边连接薄钢板剪力墙,WS表示开竖缝薄钢板剪力墙,其后数字表示框架跨度,下同).分析所得滞回曲线可知,相同类型薄钢板剪力墙的滞回曲线特征不随框架跨度变化,且四边连接和两边连接薄钢板剪力墙的滞回曲线都有一定程度的捏缩,而开竖缝薄钢板剪力墙的滞回曲线呈较为饱满的梭形.图8~10分别为四边连接、两边连接以及开竖缝薄钢板剪力墙在一个循环周期内的面外变形云图.图11为层间侧移达到40 mm时,三类薄钢板剪力墙内填钢板的Von Mises应力云图.如图8、9所示,四边连接和两边连接薄钢板剪力墙的内填钢板在水平剪切荷载作用下发生屈曲以及较大的面外变形,通过如图11(a)、(b)所示沿对角线方向的拉力带继续承担水平荷载并屈服耗能;当层间侧移减小到零并反向加载时,内填钢板反向屈曲,其拉力带方向改变,但在承担反向荷载前,需先将正向加载时拉力带上产生的面外变形拉直,剪力墙呈现刚度弱化现象,该现象反映到滞回曲线上即为曲线的捏缩.开竖缝薄钢板剪力墙在加载过程中也存在一定的面外变形(图10),但如图11(c)所示,其内填钢板内的应力主要分布在竖缝间小柱的两端,即其主要受力模式为竖缝间小柱的弯曲,通过小柱两端受弯形成的塑性铰消耗能量,其滞回曲线没有出现明显的捏缩现象.因残余应变的存在,层间侧移降至零点时,三类薄钢板剪力墙的内填钢板均有残余面外变形.图8 四边连接薄钢板剪力墙面外变形云图(m)图9 两边连接薄钢板剪力墙面外变形云图(m)图10 开竖缝薄钢板剪力墙面外变形云图(m)图11 三类薄钢板剪力墙内填钢板Von Mises应力云图(位移荷载为40 mm时,单位Pa)3.2 骨架曲线连接滞回曲线上各级荷载第一圈循环的峰值点所得的外包曲线即为该滞回曲线的骨架曲线.图12所示为薄钢板剪力墙的骨架曲线,三类薄钢板剪力墙在进入塑性后,随着层间侧移的逐渐增大,承载力变化均较为平缓,具有良好的延性.3.3 初始刚度图13所示为三类薄钢板剪力墙的初始刚度随框架跨度的变化曲线,其中四边连接薄钢板剪力墙的初始刚度最高,其次为两边连接薄钢板剪力墙,但与四边连接时相差不多,而开竖缝薄钢板剪力墙的初始刚度最低,且与前两类剪力墙相差较多.说明竖缝的存在,对薄钢板剪力墙的初始刚度具有削弱作用.图12 三类薄钢板剪力墙骨架曲线图13 初始刚度随框架跨度变化曲线3.4 峰值承载力图14所示为三类薄钢板剪力墙的峰值承载力随框架跨度的变化曲线.四边连接薄钢板剪力墙的峰值承载力最高,但与两边连接时相差不大;开竖缝薄钢板剪力墙的峰值承载力最低,与前两类剪力墙也相差较多.竖缝对薄钢板剪力墙的峰值承载力同样具有削弱作用.图14 峰值荷载随框架跨度变化曲线3.5 能量耗散系数构件的耗能能力可由滞回曲线所包围的面积衡量,其能量耗散系数E按照式(2)计算[13]:如图15所示,S(ABC+CDA)为滞回曲线外包线所包围的面积,S(OBE+ODF)为极限荷载所对应的坐标点和原点的连线与横轴所包围的两个三角形面积之和.图15 能量耗散系数计算方法示意三类薄钢板剪力墙的能量耗散系数随框架跨度的变化曲线如图16所示.三类薄钢板剪力墙均具有良好的耗能能力,且耗能效率随框架跨度的变化不大.四边连接与两边连接薄钢板剪力墙的能量耗散系数较为接近,且均高于开竖缝薄钢板剪力墙.产生这种差别的原因是:四边连接与两边连接薄钢板剪力墙均是通过内填钢板屈曲后所形成的拉力带屈服消耗能量,而开竖缝薄钢板剪力墙则通过竖缝间钢板小柱两端弯曲屈服所形成的塑性铰消耗能量,且这两种能量耗散机制的效率不同.图16 能量耗散系数随框架跨度变化曲线3.6 延性本文采用“通用屈服弯矩法”获得三类薄钢板剪力墙的屈服位移,如图17所示.开竖缝薄钢板剪力墙的抗侧刚度最小,其屈服时的层间侧移最大;而四边连接和两边连接薄钢板剪力墙具有相近且较大的抗侧刚度,因此其屈服位移也接近且均较小. 图17 屈服位移随框架跨度变化曲线图18所示为薄钢板剪力墙的极限承载力与峰值承载力的比值.当层间侧移达到40 mm时,三类薄钢板剪力墙的承载力均未下降到0.85倍的峰值承载力,说明三类薄钢板剪力墙均具有良好的延性.图18 极限承载力与峰值承载力比值4 结论1)三类薄钢板剪力墙均具有良好的延性和耗能能力.2)四边连接和两边连接薄钢板剪力墙的滞回曲线虽有一定程度的捏缩,但其初始刚度以及峰值承载力均较高.3)开竖缝薄钢板剪力墙的初始刚度以及峰值承载力较低,但其滞回曲线呈饱满的梭形,可通过开缝参数方便地调整其抗侧刚度和承载力.4)在高层钢结构或高烈度区的多层钢结构住宅等对抗侧刚度以及承载力要求较高的结构中,建议选用四边连接或两边连接薄钢板剪力墙作为结构的主要抗侧构件,选用开竖缝薄钢板剪力墙作为调整结构局部刚度及抗侧承载力的辅助抗侧构件.5)在低层或低烈度区的多层钢结构住宅中,建议选用开竖缝薄钢板剪力墙作为结构的抗侧构件,以获得与结构设计相匹配的抗侧刚度以及承载力.参考文献[1]LASHGARI M.Finite element analysis of thin steel plate shear walls [J].World Academy of Science,Engineering& Technology,2009,58:436-440.[2]XUE M,LU L W.Interaction of infilled steel shear wall panels with surrounding frame members [C]//Proceedings of Structural Stability Research Council Annual Technical Session. Bethlehem: Lehigh University,1994:339-354.[3]XUE M,LU L W.Monotonic and cyclic behavior of infilled steel shear panels[C]//Proceedings of 17th Czech and Slovak International Conference on Steel Structures and Bridges.Bratislava:Slovak university of technology in Bratislava,1994:152-160.[4]HITAKA T,MATSUI C.Experimental study on steel shearwall with slits [J].JournalofStructural Engineering,2003,129(5):586-595.[5]董子建.非加劲钢板剪力墙试验与理论研究[D].西安:西安建筑科技大学,2005.[6]LUBELL A S,PRION H G L,VENTURA C E,et al.Unstiffened steel plate shear wall performance under cyclic loading[J].Journal of Structural Engineering,2000,126(4):453-460.[7]FEMA 450.NEHRP recommended provisions for seismic regulationsfor new buildings and other structures part 1:provisions[S].Washington D.C.:Building Seismic Safety Council for the Federal Emergency Management Agency,2003.[8]ANSI/AISC 341—10 Seismic provisions for structural steel buildings [S].Chicago:American Institute of Steel Construction,2010.[9]CAN/CSA S16—01 Limits states design of steel structures[S].Mississauga:Canadian Standards Association,2001.[10]马欣伯,张素梅,郭兰慧.侧边加劲肋对两边连接钢板剪力墙弹性屈曲的影响[C]//庆祝刘锡良教授八十华诞暨第八届全国现代结构工程学术研讨会论文集.天津:天津大学,2008:1171-1176.[11]JGJ99—98高层民用建筑钢结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,1998.[12]GB50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.[13]JGJ101—96建筑抗震试验方法规程[S].北京:中国建筑工业出版社,1997.。
自复位耗能支撑钢板剪力墙的滞回性能研究
徐龙河;刘嘉琳
【期刊名称】《天津大学学报》
【年(卷),期】2018(051)009
【摘要】提出一种带自复位耗能支撑的钢板剪力墙(SPSW-SCEDB),由墙板与自复位耗能支撑组成,对其构造及工作原理进行了介绍.对SPSW-SCEDB在低周往复荷载作用下的滞回性能进行数值模拟,并与两边连接钢板剪力墙进行对比分析.结果表明,SPSW-SCEDB滞回曲线呈旗形,具备良好的承载能力、耗能能力与复位能力.与两边连接钢板剪力墙相比,SPSW-SCEDB极限承载力提高31%,,残余变形角减小91%,;同时,由于支撑与墙板的共同作用减缓了承载力退化,改善了延性及耗能能力,验证了SPSW-SCEDB具有良好的抗震性能.
【总页数】8页(P949-956)
【作者】徐龙河;刘嘉琳
【作者单位】北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044;北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044
【正文语种】中文
【中图分类】TU352.1
【相关文献】
1.自复位耗能摇摆柱在不同参数下的滞回性能分析 [J], 何晴光;王鹤;吴伟科
2.一种新型自复位变摩擦耗能支撑的滞回性能 [J], 何晴光;刘松元;吴伟科;王云涛
3.自复位U形钢板耗能支撑设计与滞回性能分析 [J], 贾俊峰;赵凌云;白玉磊;周述美;刘钊;李茂昌
4.内置碟簧自复位联肢剪力墙参数设计与滞回性能研究 [J], 徐龙河;肖水晶;卢啸
5.带自复位耗能支撑钢板剪力墙墙板受力性能研究 [J], 刘嘉琳;徐龙河
因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
带缝钢板剪力墙滞回性能和耗能能力分析
发表时间:
2018-11-16T20:53:45.767Z 来源:《基层建设》2018年第28期 作者: 贺有丰1 袁朝庆2
[导读] 摘要:选择30种单榀单跨带缝钢板剪力墙结构单元在水平正弦周期往复荷载作用下进行受力性能分析,总结开缝设计参数比W/H、
b/t对带缝钢板剪力墙的滞回性能和耗能能力分析。
1.
中铝东南铜业有限公司 福建省宁德 352106
2.
大庆石油学院 土木建筑工程学院 黑龙江大庆 163318
摘要:选择30种单榀单跨带缝钢板剪力墙结构单元在水平正弦周期往复荷载作用下进行受力性能分析,总结开缝设计参数比W/H、b/t
对带缝钢板剪力墙的滞回性能和耗能能力分析。结果表明:随着
W/H增大,带缝钢板剪力墙单元的滞回环面积增大,滞回性能变好,耗能
能力增强;随着
b/t的增大,带缝钢板剪力墙单元的滞回环面积减小,滞回性能变差,耗能能力降低。
关键词:带缝钢板剪力墙,滞回性能,耗能能力
1.
模型的建立
本文选用的带缝钢板剪力墙厚度t=8mm~16mm,狭缝段数m=2。为了书写简便,带缝钢板剪力墙用字母用P代替。(W:板宽度,
H
:板高度,b:墙肢宽度,h:墙肢高度,hu:上壁高,hd:下壁高,hm:中间壁高)。选取SHELL 181建立带缝钢板剪力墙的计算模
型。
2.
受力性能分析
2.1
钢材的本构关系及加载机制
钢材的本构关系及加载机制同参考文献4
2.2
模型选取与计算
模型选取类型与计算要求同参考文献4
2.3
参数比W/H、b/t对破坏位移的影响
带缝钢板剪力墙单元的破坏位移整体较大,一般在53mm以上,说明带缝钢板剪力墙单元的延性好,符合罕遇地震作用下对构件延性
的要求。图
5是6种不同带缝钢板剪力墙单元在相同板宽不同板厚下的破坏位移变化图,图6是6种不同带缝钢板剪力墙单元在相同厚度不同
板宽下的破坏位移变化图。
图1 不同t下的破坏位移变化 图2 不同W下的破坏位移变化
从图1可以看出随着板宽的增大(W/H增大),各种不同厚度带缝钢板剪力墙单元的破坏位移整体呈下降势头,尤其是板厚从1430mm
增加到
2070mm这过程中下降最快,有20mm的落差。从图2中随着板厚的增大(b/t减小)各种不同宽度带缝钢板剪力墙单元的破坏位移基
本不变,保持较好的稳定性。说明:板厚增大对破坏位移(
b/t减小)要比板宽增大(W/H增大)对破坏位移的影响小得多,性能较稳定。
2.5
参数比W/H、b/t对滞回性能的影响
图4 W=4630mm板滞回曲线
从图3可以发现带缝钢板剪力墙单元滞回曲线饱满且成梭形,耗能能力好。同时也可以看出设计参数W/H、b/t对带缝钢板剪力墙单元
的滞回性能影响大。从图
4可以看出在同一板厚下随着板宽的增大(W/H增大),带缝钢板剪力墙单元的滞回性能变好,滞回环面积逐渐增
大,耗能能力逐渐增强。同时还可以看出,
W=1430mm时,延性最好。从图3和图4可以看出在同一板宽下随着板厚的增大(b/t减小)带缝
钢板剪力墙单元的滞回性能变好,逐渐增大,耗能能力逐渐增强。总的说来,随着板宽和板厚的同时增大,滞回环面积增加越快,滞回性
能越好,耗能能力越强。
3.
试验验证
根据文献(4)的试验构件B102-1,采用本文的有限元方法进行模拟,将得到的理论数据与试验数据进行对比。
3.1
结构数据对比
试验数据与有限元数据列于表1中。
表1 B102-1 数据对比
从表2中可以看出试验数据与有限元数据比较吻合,基本上保持在10%以内。
3.2
滞回曲线对比
图5为实验滞回曲线,图6为有限元滞回曲线。结合图5和图6可以看出试验滞回曲线和有限元滞回曲线形状基本相似,区别在于试验构
件的滞回环要比有限元得出的滞回环的圆滑一些。有限元得出的滞回环外形接近平行四边形。这主要是由于有限元所选用的本构关系是双
线性的,与构件本身的本构关系有一定的区别造成的。
图5试件B102-1试验滞回曲线 图6 试件B102-1有限元滞回曲线
上述带缝钢板剪力墙结构单元试验构件的试验数据与有限元数据以及试验构件B102-1的试验滞回曲线与有限元滞回曲线的对比分析表
明。本文采用的有限元
SHELL181单元和有限元方法来研究带缝钢板剪力墙单元是可行的。
4.
结论
(1)在其他开缝设计参数一定时,W/H增大带缝钢板剪力墙的滞回环面积增大,滞回性能变好,耗能能力增强。
(2)在其他开缝设计参数一定时,随着b/t增大带缝钢板剪力墙的滞回环面积减小,滞回性能变差,耗能能力降低。
参考文献:
[1]
陈国栋,郭彦林,等.钢板剪力墙低周反复荷载试验研究[J].建筑结构学报,2004,25(2):19~26.
[2]Toko Hitaka
,Chiaki Mastsui.Experimental of Study on Steel Shear Wall with Slits[J]..Journal of Structural Engineering,2003,
129
(5):586-594.
[3]
魏德敏,温沛纲等.新型带缝钢板剪力墙的试验研究及其数值模拟[J].地震工程与工程振动,2006,26(1):129~133.
[4]
贺有丰,袁朝庆 带缝钢板剪力墙的侧移刚度和承载能力分析[J].防护工程,2018年22期
作者简介:
贺有丰(1980-),男,湖南省双峰县人,工程师,主要从事结构工程方向的研究。