方钢管混凝土框架-钢板剪力墙结构抗震分析

第２１卷６期　２０１３年１２月　

应用基础与工程科学学报　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＢＡＳＩＣ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖ０１．２１．Ｎｏ．６　

Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２０１３　

文章编号：１００５－０９３０（２０１３）０６—１１４５－０１２　中图分类号：ＴＵ９７３　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－０９３０．２０１３．０６．０１５　

方钢管混凝土框架－钢板剪力墙　结构抗震分析　

金双双　，　郭兰慧　，　戎　芹　，　张素梅　２　（１．哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨１５００９０；２．黑龙江省建工集团博士后科研３－作站，黑龙江哈　尔滨１５００９０）　

摘要：将具有承载力高、耗能能力强等优点的非加劲薄钢板剪力墙用于抗震性能　优越的方钢管混凝土框架中，形成一种新型组合结构体系，利用有限元对其进行　模拟分析对推广应用尤为重要．通过ＯｐｅｎＳｅｅｓ有限元软件设计并建立了方钢管　混凝土框架一钢板剪力墙结构体系的分析模型，在校准模型的基础上，采用　Ｐｕｓｈｏｖｅｒ方法探讨结构的弹塑性发展过程、层间位移和层间剪力的分布规律．研　究表明，框架与钢板剪力墙可以很好地协调工作，此类结构具有良好的延性；结　合动力时程分析方法研究了不同地震动作用下结构的动力响应，计算得到的结　构影响系数和位移放大系数，可为方钢管混凝土框架一钢板剪力墙体系基于性能　的抗震设计提供一定参考．　关键词：钢板剪力墙；方钢管混凝土；抗震性能；结构影响系数；位移放大系数　

近年来地震频发，汶川、玉树、东日本、芦山等特大地震严重威胁人类的生存和发展，　地震中房屋的倒塌和破坏造成了巨大的生命和财产损失¨Ｊ．非加劲薄钢板剪力墙作为新　型抗侧力构件和耗能构件，由内嵌钢板和边缘框架组成，内嵌钢板四边通过焊接或螺栓连　接与框架梁柱相连，边缘框架柱为钢板的竖向边缘构件（Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｂｏｕｎｄａｒｙ　Ｅｌｅｍｅｎｔｓ，　ＶＢＥ），边缘框架梁为钢板的水平边缘构件（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　Ｂｏｕｎｄａｒｙ　Ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ＨＢＥ）．国内外　大量研究表明［２－９］，钢板屈曲后仍具有较高的承载力和良好的耗能能力及延性；在强震作　

用下其承载力和刚度不会出现明显退化；与目前最常用的钢筋混凝土剪力墙相比，其克服　了混凝土剪力墙延性差、开裂早、受力后期的破坏严重且难以修复等缺点，同时减小了剪　力墙的截面和自重，且施工更方便、快捷，提高了经济效益．将钢板沿结构某跨自下而上连　续布置时，便形成了钢板剪力墙结构体系；其整体受力性能类似于竖向悬臂梁，其中边缘　框架承担重力荷载和由侧向荷载产生的倾覆荷载，内嵌钢板承担侧向荷载．震害资料表　明－ｌ　，钢板剪力墙结构体系抗震性能优越，已成为最具有发展前景的新型高层抗侧力体　

收稿日期：２０１２－０９・１７：修订日期：２０１３－０６－２７　基金项目：国家自然科学基金项目（５０８０８０５３）；中国博士后基金　作者简介：金双双（１９８６一），女，博士研究生．Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｉｎｓｈｕａｎｇｓｈｕａｎｇ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｒｎ　通信作者：郭兰慧（１９７８一），男，博士，副教授．Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｕｏｌａｎｈｕｉ＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃａ　应用基础与工程科学学报　系之一．　结构反应参数（如结构影响系数、位移放大系数等）的量化对结构抗震设计至关重　要，反应参数既是基于承载力的设计方法中确定设计地震作用的关键因素，又是基于』生能　抗震设计方法的主要依据，对其研究有利于改进现有的抗震设计理论和提高工程结构的　经济性和安全性　］１－１２］．对于新型结构体系，由于缺乏理论研究和震害经验，结构反应参数　无法确定，若根据已有结构的研究现状和震害经验估计新型结构的参数，其结构反应能否　满足设计目标均无法预知．钢板剪力墙在实际工程中的应用推广对该类结构体系的抗震　设计和性能分析提出了要求¨　Ｈ　，客观上需对该类结构的反应参数进行量化．顾强等　将抗弯钢框架与钢板剪力墙结合，对结构体系的影响系数和位移放大系数开展了研究；　Ｔｏｐｋａｙａ等　”　对钢板剪力墙结构和钢框架一钢板剪力墙结构进行了大量时程分析，研　究了该体系的结构影响系数和位移放大系数．　本文将钢板剪力墙用于具有较高抗侧刚度和承载能力的方钢管混凝土框架结构中，　形成新型的组合结构体系，即方钢管混凝土框架．钢板剪力墙结构体系．目前国内外对该　类结构体系的研究较少，本文通过对一方钢管混凝土框架一钢板剪力墙结构进行静力推覆　分析，研究其抗震性能和失效机理；同时通过对该结构进行４４条地震动下的动力时程分　析确定结构影响系数和位移放大系数．　

有限元模型的建立及验证　１．１结构设计　设计一２０层方钢管混凝土框架一钢板剪力墙结构，结构层高为３．６ｍ，平面布置如图１　所示．设计地震烈度为９度，地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类．结构中楼板厚度为　１２０ｍｍ，梁柱节点均采用刚性连接．钢管混凝土柱中钢材屈服强度为３４５ＭＰａ，钢管中采用　Ｃ５０混凝土；框架梁采用Ｈ型钢梁，其屈服强度为２３５ＭＰａ；钢板剪力墙采用屈服强度为　１００ＭＰａ的低屈服点钢材．由楼面恒荷载（包括楼板、梁、柱和隔墙）和楼面活荷载确定出　标准层楼面荷载为５ｋＮ／ｍ　，屋面荷载为６ｋＮ／ｍ　．　

框　。　，。　。、　。　／　＼　Ｊ　１　．　Ｊ　．　＿　●　－　＿　＿　Ｊ　Ｉ　

Ｉ　。　Ｊ　．　－　’　●　。　Ｉ。　＿　●　ｌ　Ｉ　＼　

．　＿　１　．　●　。　＿　。　Ｉ‘　。　。　－　●　ｌ　ｆ　钢板剪　）墙　

ｌ　●　ｌ　－　Ｉ　

－　－　●　。　ｆ　。　Ｉ　』　

、　／　＿　、＿　＿　＿　。／　。　－　●　●　－　９．０ｍ　９．０ｍ、　’６

．Ｏｍ　９．０ｍ　９．０ｍ　

图１建筑平面布置　Ｆｉｇ．１　Ｆｌｏｏｒ　ｐｌａｎ　

选取图１中一榀方钢管混凝土框架－钢板剪力　１墙结构体系作为本文的分析模型，如图２所示．目　詈　前国内无相关规范或规程确定与剪力墙相连的边　量ｌ缘柱截面（ＶＢＥ），钢板剪力墙通过其屈曲后形成的　斜向拉力带来承担水平荷载，同时会对与其相连的　皇ｌ框架柱产生较大的作用力（图３），此时需合理确定　善ｌ柱截面强度和刚度从而保证钢板剪力墙拉力带的　充分开展．本文初步确定了柱子截面尺寸的设计方　喜Ｉ法：通过增大柱截面或方钢管混凝土柱的含钢率来　提高柱的强度及抗弯刚度，将加大截面后的结构进　行水平荷载作用分析，通过提取柱中的弯矩及轴　力，判断构件强度及刚度是否满足要求，若不满足　要求，继续增大柱截面，直到柱子截面满足弯矩及　金双双等：方钢管混凝土框架－钢板剪力墙结构抗震分析　轴力要求．通过上述方法确定结构中与剪力墙相连的柱截面，并最终选定各构件截面尺寸　如表１所示．　

广一一一　钢板剪力墙　ｌ　ｌ　ｌ　

ｌ　Ｉ　鲁　

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量ｌ　■　■　一　干６丽０Ｆ　９０００　＿　■　■一　９０００　９０００　９０００　

图２方钢管混凝土框架一钢板剪力墙分析模型　Ｆｉｇ．２　Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｍＯｄｅｌ　ｏｆ　ｆｒａｍｅ—ＳＰＳＷ　

梁　。　＋　—　＋　

ｌ　’　图３剪力墙对边缘柱的作用　

：一　ｒｐ…：—　Ｃ　１Ｊ一：—　

表１　分析模型中各构件截面尺寸　Ｔａｂｌｅ　１　Ｍｅｍｂｅｒ　ｓｉｚｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　

１．２有限元模型验证　本文采用非线性分析功能强大的ＯｐｅｎＳｅｅｓ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．方钢管混凝土中混凝土采用ＯｐｅｎＳｅｅｓ材　料库提供的基于Ｋｅｎｔ．Ｓｃｏｔｔ．Ｐａｒｋ的Ｃｏｎｃｒｅｔｅ０２模型，其单调加载骨架曲线和滞回曲线如　图４所示　；方钢管和钢梁中钢材的本构关系选用基于Ｇｉｕｆｆｒｅ—Ｍｅｎｅｇｏｔｔｏ—Ｐｉｎｔｏ的　Ｓｔｅｅｌ０２模型，其骨架曲线和滞回曲线如图５所示　．　

ｌ仃　，４　遇ｎ　

一　｜‘　＼／　

（ａ）本构关系　（ｂ）滞回曲线　图４　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ０２材料性能　Ｆｉｇ．４　Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｆｏｒ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ０２　Ｉ盯　丁　（ａ）本构关系　（ｂ）滞回曲线　图５　Ｓｔｅｅｌ０２材料性能　Ｆｉｇ．５　Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｆｏｒ　Ｓｔｅｅｌ０２　应用基础与工程科学学报　在结构体系分析中，若采用实体元或壳单元模拟钢板剪力墙，其建模复杂、计算时间　长、程序不易收敛．为此，本文采用简化模型来模拟钢板剪力墙，加拿大钢结构设计规程　《Ｌｉｍｉｔ　Ｓｔａｔｅｓ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｓｔｅｅｌ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ＞）（ＣＡＮ／ＣＳＡ　Ｓ１６．１－９４）推荐采用等效拉杆模型　（Ｓｔｒｉｐ　Ｍｏｄｅ１）对钢板剪力墙的受剪性能进行模拟，该模型中钢板被简化为不少于１Ｏ根且　具有相同倾角但仅能承受拉力的只拉杆．为更好模拟钢板剪力墙在往复荷载作用下的力　学性能，本文采用双向等效拉杆模型，即在模型的两个方向均布置等倾角的只拉杆，如　图６所示．当剪力墙单向加载时，仅一个方向的拉杆参与受力；当荷载反向作用时，受拉的　杆件开始卸载，直到杆件内力由受拉状态转为零而退出工作，另一倾角方向的拉杆由受压　状态转为受拉状态，开始参与受力．本文采用Ｔｒｕｓｓ单元模拟剪力墙简化模型中的只拉　杆，其中只拉杆选用ＯｐｅｎＳｅｅｓ提供的理想弹塑性间隙材料本构关系．　

图６双向等效拉杆模型　Ｆｉｇ．６　Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｓｔｒｉｐ　ｍｏｄｅｌ　

有限元分析结果准确性很大程度上依赖于所选用的单元和材料本构模型的适用性，　为此需验证单元类型、材料本构关系和剪力墙简化模型的正确性．本文对文献［２１］中　Ｓ１００．１试件即方钢管混凝土柱进行有限元模拟，对文献［９］中的钢板剪力墙试验进行有　限元模拟，并将有限元模拟的底部剪力与顶点位移关系曲线与试验曲线进行对比，如图７　所示．从图中可以看出两者在初始刚度、极限承载力、耗能能力方面均较为接近，总体吻合　良好，进而验证了本文所选的材料和单元本构模型的准确性．　

水平位移／ｍｍ　（ａ）方钢管混凝土柱　顶点位移／ｍ　（ｂ）剪力墙等效模型　

图７有限元模型与试验滞回曲线对比　Ｆｉｇ．７　Ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ　ｃｕＩｖｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ