三類薄鋼板剪力墻滯回性能及選型

曹正罡，杜 鵬，邱星瑋，范 峰

(1.哈爾濱工業大學結構工程災變與控制教育部重點實驗室，150090哈爾濱;2.哈爾濱工業大學土木工程學院，150090哈爾濱;3.鎮江市中建地產有限公司，212000江蘇鎮江)

鋼板剪力墻是20世紀70年代發展起來的一種高效抗側力構件，它由內填鋼板及其邊緣約束構件組成.根據內填鋼板寬厚比(λ)的大小，鋼板剪力墻可劃分為薄鋼板剪力墻(λ≥250)和中厚鋼板剪力墻(λ＜250).薄鋼板剪力墻通過鋼板屈曲后沿對角線方向形成的拉力帶為結構提供水平抗力，具有良好的經濟性能［1］.

內填鋼板四邊與框架梁、柱均連接時為四邊連接薄鋼板剪力墻，其內填鋼板屈曲后形成的拉力帶錨固在框架梁、柱上，將使柱內產生附加彎矩并過早地破壞，影響結構的抗震性能.為此Xue等［2-3］于1994年提出了內填鋼板僅與上下鋼梁連接的兩邊連接薄鋼板剪力墻.因其僅通過鋼梁錨固拉力帶，可避免對鋼柱的不利影響.

四邊連接和兩邊連接薄鋼板剪力墻在受力初期均以內填鋼板的剪切受力為主，極易發生剪切屈曲，滯回環存在一定程度的捏縮現象;另外，還存在因實際可使用鋼板的最小厚度大于結構設計所需內填鋼板厚度，造成結構剛度過大，地震作用偏高，邊緣約束構件截面尺寸大幅增大等問題.日本學者Hitaka等［4］提出了開豎縫薄鋼板剪力墻的概念，即通過在內填鋼板上開設豎縫，使其變形模式由整體剪切變形變為豎縫間小柱的彎曲變形.試驗證明這類剪力墻的抗側剛度相對較小，但其滯回環飽滿，當內填鋼板厚度不變時，可通過開縫參數方便地調整其抗側剛度及承載力.

目前在中國鋼結構住宅結構體系研究及應用中，抗側力構件采用薄鋼板剪力墻的結構還不多見.結合住宅體系中梁柱截面和柱距特點，針對薄鋼板剪力墻的動力特性、耗能作用的對比分析以及選型研究也較少.為此通過有限元軟件ANSYS對四邊連接、兩邊連接以及開豎縫薄鋼板剪力墻在低周往復荷載作用下的受力性能進行對比分析，為鋼結構住宅結構體系中抗側力構件的選型設計提供參考.

1 薄鋼板剪力墻的數值建模及驗證

1.1 模型建立

為考慮邊緣約束構件的影響，利用Shell181單元建立了單層單跨鋼框架-薄鋼板剪力墻結構的數值分析模型，如圖1所示.鋼材本構采用雙線性隨動強化模型，其中彈性模量為206 GPa，切線模量取為2%的彈性模量，屈服強度為235 MPa.

圖1 薄鋼板剪力墻數值分析模型

模型采用一致缺陷模態法施加初始缺陷，即通過屈曲分析，得到薄鋼板剪力墻的一階屈曲模態，如圖2所示，并按該模態的變形分布施加初始缺陷，最大面外變形取為內填鋼板寬度的1‰.

圖2 薄鋼板剪力墻一階屈曲模態(面外變形云圖)

通過約束鋼柱和內填鋼板底部節點的平動及轉動自由度模擬基礎的嵌固作用，如圖3(a)所示;為防止鋼梁發生面外位移，約束鋼梁中軸線處節點在其腹板平面外的平動自由度，如圖3(b)所示.

圖3 數值模型邊界條件

通過耦合加載區節點的平動自由度形成加載剛性面，以減小加載區應力集中的影響，如圖4所示.

圖4 數值模型加載端剛性面

1.2 模型驗證

選用文獻［5］中試件SPSW-H-2的滯回試驗數據對本文的建模方法進行驗證，其中試件SPSW-H-2的梁、柱和內填鋼板的尺寸及材料性能如表1所示，試驗加載制度如表2所示.根據本文建模方法建立數值模型并加載分析后所得模擬曲線與試驗曲線對比如圖5所示，相應的承載力對比如表3所示.數值模擬所得滯回曲線能夠反映試驗曲線的基本特征，且試驗及模擬所得各級荷載作用下試件的峰值承載力也相差不大，說明本文所采用的數值建模及分析方法能夠合理地跟蹤整個試驗過程.但因模擬所用材料模型及構件間連接均為理想情況，未能模擬試驗過程中所發生的內填鋼板開裂及連接滑移等現象，模擬曲線與試驗曲線在卸載段存在一定程度的分離，各級承載力也有所差別.

表1 試件SPSW-H-2的構件尺寸及材料參數［5］

表2 試件SPSW-H-2的加載制度［5］

圖5 SPSW-H-2的試驗滯回曲線與本文模擬曲線對比

2 鋼框架-薄鋼板剪力墻試件設計

Lubell等［6］學者在對兩個單層單跨四邊連接薄鋼板剪力墻進行低周往復加載試驗后發現:如鋼柱截面過小，試件將出現明顯的“沙漏”現象，即薄鋼板的拉力帶作用會使鋼柱過早彎曲，而后拉力帶效應轉移到剛度較大的鋼梁上，導致內填鋼板部分區域不能發揮作用.為避免該現象，美國規范 FEMA450［7］和 ANSI/AISC 341-10［8］及加拿大規范CAN/CSA S16-01［9］均要求框架柱繞垂直于內填鋼板平面的主軸的截面慣性矩滿足式(1)的要求:

式中:Ⅰc為鋼柱的慣性矩，tw為內填鋼板厚度，h為水平邊緣約束構件軸線間距，L為豎向邊緣約束構件軸線間距．

根據鋼結構住宅中常用構件截面以及層高，本文選用鋼柱截面為HW300×300×10/15，鋼梁截面為HN300×150×6.5/9，模型的其他基本尺寸如表4所示.為考慮框架跨度的影響，本文以鋼結構住宅中常用跨度(L)作為分析參數，取值如表5所示．將上述L、h以及tw帶入式(1)可知，鋼柱截面滿足剛度要求．

表3 各級荷載作用下試件峰值承載力對比

表4 模型基本尺寸

表5 模型跨度及內填鋼板寬度

兩邊連接和開豎縫薄鋼板剪力墻的梁、柱構件截面，模型基本尺寸以及框架跨度與四邊連接薄鋼板剪力墻相同.但兩邊連接和開豎縫薄鋼板剪力墻中的內填鋼板均不與鋼柱連接，且其兩側與相應側鋼柱之間的預留間隙均為100 mm，板寬如表5所示.由于內填鋼板兩側與鋼柱分離形成自由邊，在水平剪切荷載作用下極易發生自由邊失穩，需在內填鋼板兩側設置加勁肋，其厚度(ts=12 mm)取為 1.5 倍的內填鋼板厚度［10］，寬度(Ws=180 mm)取為15倍的加勁肋厚度(ts)．

開豎縫薄鋼板剪力墻可通過開縫參數靈活地調整其抗側剛度及承載力［4］.為便于分析，本文統一采用表6所示開縫參數，其中H、W分別為內填鋼板的高度和寬度，b、h分別為縫間小柱的寬度和高度，Hu、Hm、Hd分別為上、中、下壁高度，m 為開縫排數，d為開縫寬度，參數意義如圖6所示．

表6 開豎縫薄鋼板剪力墻開縫參數

3 薄鋼板剪力墻滯回性能對比分析

根據上述模型參數及建模方法建立有限元模型并在加載剛性面處施加由位移控制的水平往復荷載以進行三類薄鋼板剪力墻的滯回性能分析.根據JGJ99—98《高層民用建筑鋼結構技術規程》［11］規定的彈塑性層間位移角限值1/70以及GB50011—2010《建筑抗震設計規范》［12］規定的彈塑性層間位移角限值1/50的要求，本文加載制度為從0到40 mm，每級荷載增量5 mm，且正負向循環一圈.根據JGJ101—96《建筑抗震試驗方法規程》［13］關于構件的破壞荷載及相應變形的規定，模型的極限荷載和變形取為層間側移達到40 mm時或承載力達到峰值后又下降到其峰值的85%時所對應的荷載及變形.

圖6 開豎縫薄鋼板剪力墻開縫參數

3.1 滯回曲線

限于篇幅，僅將三類薄鋼板剪力墻典型的滯回曲線示于圖7(WF表示四邊連接薄鋼板剪力墻，WT表示兩邊連接薄鋼板剪力墻，WS表示開豎縫薄鋼板剪力墻，其后數字表示框架跨度，下同).分析所得滯回曲線可知，相同類型薄鋼板剪力墻的滯回曲線特征不隨框架跨度變化，且四邊連接和兩邊連接薄鋼板剪力墻的滯回曲線都有一定程度的捏縮，而開豎縫薄鋼板剪力墻的滯回曲線呈較為飽滿的梭形.

圖8～10分別為四邊連接、兩邊連接以及開豎縫薄鋼板剪力墻在一個循環周期內的面外變形云圖.圖11為層間側移達到40 mm時，三類薄鋼板剪力墻內填鋼板的Von Mises應力云圖.如圖8、9所示，四邊連接和兩邊連接薄鋼板剪力墻的內填鋼板在水平剪切荷載作用下發生屈曲以及較大的面外變形，通過如圖11(a)、(b)所示沿對角線方向的拉力帶繼續承擔水平荷載并屈服耗能;當層間側移減小到零并反向加載時，內填鋼板反向屈曲，其拉力帶方向改變，但在承擔反向荷載前，需先將正向加載時拉力帶上產生的面外變形拉直，剪力墻呈現剛度弱化現象，該現象反映到滯回曲線上即為曲線的捏縮.開豎縫薄鋼板剪力墻在加載過程中也存在一定的面外變形(圖10)，但如圖11(c)所示，其內填鋼板內的應力主要分布在豎縫間小柱的兩端，即其主要受力模式為豎縫間小柱的彎曲，通過小柱兩端受彎形成的塑性鉸消耗能量，其滯回曲線沒有出現明顯的捏縮現象.因殘余應變的存在，層間側移降至零點時，三類薄鋼板剪力墻的內填鋼板均有殘余面外變形.

圖8 四邊連接薄鋼板剪力墻面外變形云圖(m)

圖9 兩邊連接薄鋼板剪力墻面外變形云圖(m)

圖10 開豎縫薄鋼板剪力墻面外變形云圖(m)

圖11 三類薄鋼板剪力墻內填鋼板Von Mises應力云圖(位移荷載為40 mm時，單位Pa)

3.2 骨架曲線

連接滯回曲線上各級荷載第一圈循環的峰值點所得的外包曲線即為該滯回曲線的骨架曲線.圖12所示為薄鋼板剪力墻的骨架曲線，三類薄鋼板剪力墻在進入塑性后，隨著層間側移的逐漸增大，承載力變化均較為平緩，具有良好的延性.

3.3 初始剛度

圖13所示為三類薄鋼板剪力墻的初始剛度隨框架跨度的變化曲線，其中四邊連接薄鋼板剪力墻的初始剛度最高，其次為兩邊連接薄鋼板剪力墻，但與四邊連接時相差不多，而開豎縫薄鋼板剪力墻的初始剛度最低，且與前兩類剪力墻相差較多.說明豎縫的存在，對薄鋼板剪力墻的初始剛度具有削弱作用.

圖12 三類薄鋼板剪力墻骨架曲線

圖13 初始剛度隨框架跨度變化曲線

3.4 峰值承載力

圖14所示為三類薄鋼板剪力墻的峰值承載力隨框架跨度的變化曲線.四邊連接薄鋼板剪力墻的峰值承載力最高，但與兩邊連接時相差不大;開豎縫薄鋼板剪力墻的峰值承載力最低，與前兩類剪力墻也相差較多.豎縫對薄鋼板剪力墻的峰值承載力同樣具有削弱作用.

圖14 峰值荷載隨框架跨度變化曲線

3.5 能量耗散系數

構件的耗能能力可由滯回曲線所包圍的面積衡量，其能量耗散系數E按照式(2)計算［13］:

如圖15所示，S(ABC+CDA)為滯回曲線外包線所包圍的面積，S(OBE+ODF)為極限荷載所對應的坐標點和原點的連線與橫軸所包圍的兩個三角形面積之和．

圖15 能量耗散系數計算方法示意

三類薄鋼板剪力墻的能量耗散系數隨框架跨度的變化曲線如圖16所示.三類薄鋼板剪力墻均具有良好的耗能能力，且耗能效率隨框架跨度的變化不大.四邊連接與兩邊連接薄鋼板剪力墻的能量耗散系數較為接近，且均高于開豎縫薄鋼板剪力墻.產生這種差別的原因是:四邊連接與兩邊連接薄鋼板剪力墻均是通過內填鋼板屈曲后所形成的拉力帶屈服消耗能量，而開豎縫薄鋼板剪力墻則通過豎縫間鋼板小柱兩端彎曲屈服所形成的塑性鉸消耗能量，且這兩種能量耗散機制的效率不同.

圖16 能量耗散系數隨框架跨度變化曲線

3.6 延性

本文采用“通用屈服彎矩法”獲得三類薄鋼板剪力墻的屈服位移，如圖17所示.開豎縫薄鋼板剪力墻的抗側剛度最小，其屈服時的層間側移最大;而四邊連接和兩邊連接薄鋼板剪力墻具有相近且較大的抗側剛度，因此其屈服位移也接近且均較小.

圖17 屈服位移隨框架跨度變化曲線

圖18所示為薄鋼板剪力墻的極限承載力與峰值承載力的比值.當層間側移達到40 mm時，三類薄鋼板剪力墻的承載力均未下降到0.85倍的峰值承載力，說明三類薄鋼板剪力墻均具有良好的延性.

圖18 極限承載力與峰值承載力比值

4 結論

1)三類薄鋼板剪力墻均具有良好的延性和耗能能力.

2)四邊連接和兩邊連接薄鋼板剪力墻的滯回曲線雖有一定程度的捏縮，但其初始剛度以及峰值承載力均較高.

3)開豎縫薄鋼板剪力墻的初始剛度以及峰值承載力較低，但其滯回曲線呈飽滿的梭形，可通過開縫參數方便地調整其抗側剛度和承載力.

4)在高層鋼結構或高烈度區的多層鋼結構住宅等對抗側剛度以及承載力要求較高的結構中，建議選用四邊連接或兩邊連接薄鋼板剪力墻作為結構的主要抗側構件，選用開豎縫薄鋼板剪力墻作為調整結構局部剛度及抗側承載力的輔助抗側構件.

5)在低層或低烈度區的多層鋼結構住宅中，建議選用開豎縫薄鋼板剪力墻作為結構的抗側構件，以獲得與結構設計相匹配的抗側剛度以及承載力.

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