LYP160低屈服點波紋雙鋼板混凝土組合剪力墻抗震性能分析

摘 要：

為了更好地提升雙鋼板混凝土組合剪力墻的抗震性能，將新型LYP160低屈服點波紋雙鋼板替代平鋼板應用于組合剪力墻結構，并以混凝土強度（C30、C40、C50和C60）、中低剪跨比（2.0、1.5和1.0）為主要參數，設計了12組試件，其中普通鋼材試件、低屈服點鋼材試件各6組。利用有限元軟件建立新型LYP160低屈服點波紋雙鋼板組合剪力墻結構模型，通過繪制滯回曲線和骨架曲線，對12組試件進行承載能力和延性、剛度退化、耗能能力等抗震性能分析。結果表明：1）隨著混凝土強度的增大，普通鋼材試件和低屈服點鋼材試件承載能力提高，延性有一定降低，耗能能力基本無變化，并且在相同混凝土強度下，低屈服點鋼材延性比普通鋼材延性好；2）隨著剪跨比的減小，普通鋼材試件和低屈服點鋼材試件承載能力提升，延性略有下降，并且在相同剪跨比下，低屈服點鋼材比普通鋼材的延性最大提升70.83%。研究證明了LYP160低屈服點鋼材波紋雙鋼板混凝土組合剪力墻的承載能力、延性、剛度退化、耗能能力相較于普通試件均有顯著提升，具有良好的抗震性能，并可為LYP160低屈服點鋼材波紋雙鋼板混凝土組合剪力墻的應用提供理論參考。

關鍵詞：

復合結構；波紋鋼板；組合剪力墻；LYP160低屈服點鋼材；抗震性能

中圖分類號：

TU398.2

文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2025yx02005

Seismic performance analysis of LYP160 low-yield point corrugated double-steel concrete composite shear wall

YUAN Zhaoqing1，2， LI Yue1， LI Guoyang1， ZHANG Hao1，JI Jing1，2

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Northeast Petroleum University，Daqing， Heilongjiang 163318， China; 2.Heilongjiang Provincial University Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation and Protection Engineering， Daqing， Heilongjiang 163318， China）

Abstract：

In order to better improve the seismic performance of the double-steel concrete composite shear wall， a new LYP160 low-yield point corrugated double-steel plate was proposed to replace the flat steel plate in the composite shear wall structure， and 12 groups of specimens were designed with concrete strength （C30， C40， C50 and C60） and medium and low shear span ratios （2.0， 1.5 and 1.0） as the main parameters， including 6 groups of ordinary steel specimens and 6 groups of low-yield steel specimens. The finite element software was used to establish a new LYP160 low-yield point corrugated double-steel plate composite shear wall structure model， and by drawing hysteretic curves and skeleton curves，" the seismic performance of 12 groups of specimens， including their bearing capacity and ductility， stiffness degradation and energy dissipation capacity was analyzed. The results show that： 1） With the increase of concrete strength， the bearing capacity of ordinary steel specimens and steel specimens with low-yield point increases， the ductility decreases to a certain extent， and the energy dissipation capacity basically does not change. Under the same concrete strength， the ductility of steel with low-yield point is better than that of ordinary steel. 2） With the decrease of the shear-span ratio， the bearing capacity of ordinary steel specimens and low-yield point steel specimens increases， and the ductility decreases slightly. Under the same shear-span ratio， the ductility of steel with low-yield point is increased by 70.83% compared with that of ordinary steel. The study proves that the bearing capacity， ductility， stiffness degradation and energy dissipation capacity of LYP160 low-yield point steel corrugated double-steel plate concrete composite shear wall are significantly improved compared with ordinary specimens， and have good seismic performance， which can provide theoretical reference for the application of LYP160 low-yield point steel corrugated double-steel plate concrete composite shear wall.

Keywords：

composite structure；corrugated steel plate；composite shear wall；LYP160 low-yield point steel；seismic performance

雙鋼板-混凝土組合剪力墻常用平鋼板作為外層鋼板，但由于平鋼板的面外抗彎剛度低，容易發生彈性屈曲變形［1-2］，影響結構的承載力及延性［3-4］。為確保雙鋼板混凝土組合剪力墻具備良好的抗震性能，通常要求外層鋼板的屈服先于彈性屈曲發生［5-6］。由于波紋鋼板具有特殊的幾何構造，面外抗彎剛度遠大于平鋼板［7］，將波紋鋼板應用于雙鋼板-混凝土組合剪力墻中，可增強外層鋼板的彈性屈曲性能，減少連接件用量及人工安裝成本，降低施工周期及工程造價。國內學者對雙波紋鋼板混凝土組合剪力墻開展了廣泛研究，如：張馮霖［8］、唐際宇［9］通過精細化的數值模擬與實驗驗證，揭示了雙波紋鋼板混凝土組合剪力墻在多種加載模式下的破壞模式與能量耗散路徑。他們詳細闡述了如何通過調整波紋形狀、鋼板厚度、混凝土強度等級等關鍵參數，來有效提升墻體的承載效率和抗震韌性。RAFIEI等［10-11］通過試驗發現將自密實混凝土（self-consolidating concrete，SCC）和工程水泥基復合材料（engineered cementitious composite，ECC）作為核心混凝土材料，可以顯著提高剪力墻的抗剪承載力和延性。由于SCC具有良好的流動性和填充能力，因此它能夠更好地與波紋鋼板協同工作，減少內部空隙，從而提升整體結構的穩定性和耐久性。

低屈服點鋼材（low yield point，LYP）包括LYP100、LYP160和LYP225，是理想的耗能材料，這些材料雖然在屈服強度上未超過Q235鋼材，但它們的延展性顯著高于普通鋼材，延伸率可達普通鋼材的2～3倍［12-13］。LYP100屈服強度相對較低，在一些對承載能力要求較高的應用場景中的研究價值有限，而LYP225屈服強度較高，其性能表現過于“極端”。從韌性角度看，LYP160的韌性較為適中，與LYP100相比，它在承受一定沖擊載荷時不容易發生過度變形，而與LYP225相比，它又不會因為屈服強度過高而出現韌性急劇下降的情況，能夠更好地吸收能量，減少結構在動態載荷下的破壞風險。因此，國內學者更多地關注這類材料的應用情況及其對結構性能的影響。衛星等［14］建立低屈服點波紋鋼板剪力墻有限元模型（corrugated steel plate shear wall，CSPSW），研究發現低屈服點CSPSW表現出更優的能量耗散能力和延性。研究成果為低屈服點波紋鋼板組合剪力墻的組合方式提供了新思路。

低屈服點波紋雙鋼板混凝土組合剪力墻充分利用了鋼材和混凝土的材料特性。雙鋼板通過連接件與混凝土緊密結合，形成一個整體的受力結構。在承受豎向荷載和水平荷載時，鋼板主要承受拉力，混凝土主要承受壓力，這種分工協作顯著提高了剪力墻的承載能力和抗震性能。LYP160鋼材具有較低的屈服點和良好的塑性變形能力，展現出優秀的能量耗散能力。故本文結合前人研究成果，將高性能波紋鋼板與LYP160低屈服點鋼材相結合，通過改變混凝土強度和剪跨比，開展LYP160低屈服點波紋雙鋼板混凝土組合剪力墻抗震性能研究。

1 波紋雙鋼板組合剪力墻模型驗證

1.1 模型的建立

依據李一康［15］的試驗，利用ABAQUS有限元軟件建立與其相同的有限元模型W2-1，如圖1 a）所示。另制備波紋雙鋼板混凝土組合剪力墻試驗模型W2，試件高度為2 000 mm，寬度為1 000 mm，截面厚度為100 mm，鋼板厚度為3 mm，鋼材強度等級為Q235，混凝土強度的等級為C40，如圖1 b）所示。

為了確保波紋雙鋼板混凝土組合剪力墻模擬試驗的準確性和真實性，模擬試件的底部采用完全固定的約束方式。試件逐級緩慢施加豎向荷載至目標值N=1 000 kN，豎向荷載施加至目標值后，在整個水平荷載加載過程中保持恒定。水平荷載采用位移控制加載。試件在水平荷載作用下產生的位移與原始位置之間的夾角定義為位移角θ。試驗前預估試件屈服時的位移角約為0.5%，因此，在試件達到該狀態前，分別以位移角為0.125%、0.250%、0.375% 3級加載，每級荷載循環1次，以探究試件彈性變形階段的表現；隨后分別按照位移角為0.50%、0.75%、1.00%、1.50%、2.00%、2.50%、3.00%進行加載，每級荷載循環2次，以探究試件非彈性變形階段的表現。當試件水平荷載下降至峰值荷載的85%，或出現不宜繼續加載的情況時，即停止加載并結束試驗。

1.2 數值模擬方法的驗證

為檢驗數值模擬方法的有效性，在試驗工況下對W2墻體試件進行模擬，并將模擬所得滯回曲線和骨架曲線與試驗數據進行比較。由于滯回曲線能夠反映出結構在循環往復荷載作用下的耗能能力，而主要被用于分析評價結構的抗震性能。通常情況下，滯回曲線的形狀越飽滿，試件的耗能能力也就越強，相應地，其抗震性能也就越好。另外，骨架曲線可以直觀地反映結構的承載能力、剛度退化和耗能能力等重要性能，所以驗證滯回曲線和骨架曲線可以更加確保有限元模擬試驗的合理性和準確性。

1.3 抗震性能的對比

如圖2所示，有限元模型W2-1和試驗模型W2的骨架曲線大體相近，尤其是在彈性階段，有限元模型骨架曲線和試驗模型骨架曲線幾乎重合，初始剛度相差不大，到達屈服階段后，出現一定的誤差，但軌跡仍大體一致。如表1所示，有限元模擬結果與試驗結果的誤差最大不超過6%。原因在于有限元模擬時忽略了材料本身的缺陷以及施工誤差，但兩者骨架曲線接近一致，說明模擬效果良好。有限元模擬分析得出的滯回曲線與試驗滯回曲線吻合度較高（如圖2所示），說明有限元模型的建立和參數設置是合理有效的。

2 LYP160低屈服點波紋雙鋼板混凝土組合剪力墻模型的建立

2.1 組合剪力墻模型的基本情況

本文研究不同混凝土強度、中低剪跨比對低屈服點波紋雙鋼板混凝土組合剪力墻抗震性能的影響，鋼板厚度取3 mm，軸壓比為0.2。利用有限元軟件ABAQUS建立不同混凝土強度和剪跨比的模型，將Q235普通鋼材波紋雙鋼板混凝土組合剪力墻和LYP160低屈服點波紋雙鋼板混凝土組合剪力墻作為對照組，2種鋼材屈服強度分別為235 MPa和160 MPa。分別以混凝土強度為C30、C40、C50、C60，剪跨比為2.0、1.5、1.0進行組合，選取12種波紋雙鋼板混凝土組合剪力墻試件（以下簡稱組合剪力墻試件）作為試驗對象，其具體參數根據GB/T 50010—2010《混凝土結構設計規范》［16］定義，如表2所示。實際工程中，雙鋼板混凝土組合剪力墻的構建方式是將外圍鋼板與隔板組合成模具，再澆筑混凝土，這種結構設計使鋼板與混凝土間產生相互作用力。為在ABAQUS軟件中精準模擬該相互作用力，各表面之間設置為接觸單元，底部采用完全固定的約束方式。同時采用位移控制加載方式，將荷載施加于試件頂部，并在試件頂部設置了一個參考點RP1。混凝土和鋼材均采用C3D8R單元，鋼板和混凝土法向接觸被設置為“硬接觸”模型。由于切向接觸，考慮到鋼板和混凝土之間會存在摩擦，所以采用“罰接觸”來模擬這種摩擦行為。其中摩擦系數取0.6，單元網格尺寸為40 mm。低屈服點波紋雙鋼板組合剪力墻的結構構造如圖3所示。

2.2 材料本構的確定

2.2.1 鋼材本構

鋼材本構關系選用雙折線理想塑性模型［17］，如圖4所示，即屈服前是理想彈性，屈服后到極限強度前的硬化剛度為鋼材彈性模量的0.01。

2.2.2 混凝土本構

混凝土本構關系采用韓林海［18］提出的本構模型，具體混凝土受壓應力-應變表達式如式（1）所示：

y=2x-x2，x≤1，xβx-1η+x，xgt;1。

（1）

其中：x=εε0;y=σσ0；

ε0=εc+1 330+760fc24-1×ξ0.2×10-6；

εc=1 300+12.5fc×10-6；

η=1.6+1.5x；

ξ=αfyfc；α=AsAc；

β=f0.1c1.35 1+ξ，ξ≤3，f0.1c1.35 1+ξξ-22，ξgt;3。

式中：fy為屈服應力；fc為混凝土抗壓強度；As為鋼材截面面積；Ac為混凝土截面面積；σ為應力；α為鋼管混凝土截面；ξ為約束效應系數；ε0為對應于峰值應力的應變；εc混凝土抗壓強度對應的應變；ε為應變；x表示為應變值；y表示為應力值；σ0為混凝土的峰值應力；η代表一個與約束效應系數ξ有關的函數，用于調整核心混凝土的應力-應變關系；β為代表與約束效應系數ξ有關的參數，用于描述核心混凝土的塑性性能。

混凝土受拉應力應變表達式如式（2）所示。

y=1.2-0.2x6，x≤1，x0.31f2tx-11.7+x，xgt;1，

（2）

其中：ft=0.26×f23cu；

ε0=43.1×ft×10-6。

式中：ft為混凝土的抗拉強度；fcu為混凝土立方體抗壓強度。

針對表2中12種試件，利用有限元軟件ABAQUS進行數值模擬，分為2個分析步驟：施加豎向荷載、循環往復的水平位移。組合剪力墻試件的有限元模型如圖5所示。

3 結果與分析

3.1 混凝土強度對抗震性能的影響分析

3.1.1 滯回曲線分析

圖6給出了不同混凝土強度和鋼材強度試件的水平荷載-水平位移滯回曲線對比。隨著混凝土強度的增大，試件S1、S2、S3、S5、S6、S7的峰值荷載分別為571.45、591.09、618.68、494.77、531.27、548.78 kN。試件在屈服后進入彈塑性階段，滯回環呈梭形且逐漸飽滿，表明其具有較強的耗能能力和一定的彈性恢復能力。達到峰值荷載后，盡管荷載開始下降，但滯回環仍保持飽滿，說明試件的剛度退化相對較慢，且殘余變形逐漸增大。相同混凝土強度下，相對于普通鋼材對照組試件，低屈服點鋼材試件滯回環面積明顯擴大，滯回環更加飽滿，耗能能力更加優異。

3.1.2 骨架曲線分析

圖7為不同混凝土強度和鋼材強度試件的骨架曲線對比。

在彈性階段S1—S8的骨架曲線比較接近，上升斜率相似，曲線基本吻合；在進入塑性階段以后，對于不同強度的鋼材試件，隨著混凝土強度的增大，其峰值荷載均有所提高，最高達到了632.19 kN，等級為C60的混凝土比等級為C30的混凝土峰值荷載高出10.63%，說明混凝土強度對改善試件承載能力有一定作用。相同混凝土強度下，低屈服點鋼材試件比普通鋼材試件先發生屈服，但曲線下降速率明顯小于普通鋼材試件，且極限位移更大，說明低屈服點鋼材試件延性更好。

3.1.3 承載能力和延性分析

不同混凝土強度和鋼材強度下試件的承載能力

的有限元分析結果如表3所示。由表

可知，隨著混凝土強度的增加，普通鋼材試件和低屈服點鋼材試件的屈服荷載和峰值荷載均有一定提高，延性有一定降低，剛度有一定提升，耗能能力基本上沒有變化。普通鋼材試件屈服荷載最高提升了14.68%，峰值荷載最高提升了10.63%，延性最大降低了15.32%；低屈服點鋼材試件屈服荷載最高提升了13.66%，峰值荷載最高提升了12.01%，延性最大降低了25.52%。由此可以看出，增大混凝土強度可以增大結構的承載能力，但同時也會導致結構延性的降低，尤其是對于低屈服點鋼材試件而言，這種影響更為明顯。因此，在設計時需要綜合考慮承載能力和延性之間的平衡，以確保結構的安全性和適用性。

3.1.4 剛度退化分析

不同混凝土強度和鋼材強度下試件的剛度退化曲線對比如圖8所示。

由圖可知，隨著混凝土強度的增加，普通鋼材試件和低屈服點鋼材試件的初始剛度分別最大提升了7.19%和9.11%。相同混凝土強度下，低屈服點鋼材初始剛度較低，初始階段下降斜率大，之后下降的斜率變小，最后剛度與普通鋼材試件剛度大體一致，這是由于低屈服點鋼材因其高延伸率和良好的延性，在屈曲后仍能發揮作用，有效延緩結構剛度的下降。同時，低屈服點鋼材在循環加載下表現出較低的剛度退化速率，且其性能受混凝土強度變化的影響較小。

3.1.5 耗能能力分析

不同混凝土強度和鋼材強度下試件的累計耗能曲線對比如圖9所示。由圖可知，改變混凝土強度對普通鋼材和低屈服點鋼材試件的耗能能力均影響

不大。相同混凝土強度下，低屈服點鋼材的累計

耗能最高超出普通鋼材試件10.38%，說明低屈服點鋼材有著優異的耗能能力，這種特性使得低屈服點鋼材在地震等動態荷載作用下，能夠有效地耗散能量，減少結構的損傷，提高結構的抗震性能。

3.2 剪跨比對抗震性能影響分析

3.2.1 滯回曲線分析

圖10為不同鋼材強度試件在不同剪跨比（2.0、1.5、1.0）下的水平荷載-水平位移滯回曲線對比結果。隨著剪跨比的減小，試件S1、S5、S9、S10、S11、S12的峰值荷載分別為571.45、494.77、716.57、944.50、647.38、853.70 kN，表明隨著剪跨比的減小，試件的峰值荷載大幅度提升，承載能力提高，但到達峰值荷載后滯回曲線下降速率變大，極限位移減小。此外，低屈服點鋼材試件在不同剪跨比下的滯回曲線表現出較好的飽滿度，說明其在循環荷載作用下具有良好的能量耗散能力，這為提高結構的抗震性能提供了有力支持。

3.2.2 骨架曲線分析

圖11為不同鋼材強度試件在不同剪跨比下的骨架曲線對比結果。由圖可知，在彈性階段，各試件的骨架曲線差異不大，剪跨比越小，相同位移下荷載越大；進入塑性階段，隨著剪跨比減小，S10試件峰值荷載最大提高了72.54%，但峰值荷載下降速率變大，極限位移減小，說明剪跨比越小，試件承載能力越強，但強度退化速度加快，此時鋼板與混凝土出現黏結破壞，損傷開始累計；當鋼板完全屈服時，骨架曲線達到峰值點；最后曲線進入下降階段，當混凝土受損嚴重、鋼板鼓曲時，試件發生破壞。

3.2.3 承載能力和延性分析

不同鋼材強度試件在不同剪跨比下的承載能力如表4。由表可知，隨著剪跨比的減小，普通鋼材試件和低屈服點鋼材試件的屈服荷載、峰值荷載和剛度均有大幅度提高，耗能能力有一定提升，延性略有下降，幾乎可以忽略不計。其中：普通鋼材試件屈服荷載最高提升了62.67%，峰值荷載最高提升了65.28%，延性最大降低了2.89%；低屈服點鋼材試件屈服荷載最高提升了78.58%，峰值荷載最高提升了72.54%，延性最大降低了1.03%；在剪跨比相同的條件下，低屈服點鋼材比普通鋼材延性最大提升70.83%。由此可以看出，隨著剪跨比的減小，試件的承載能力大幅度提升，同時，減小剪跨比對延性有一定影響，但對于低屈服點鋼材試件而言，這種影響非常小，幾乎可以忽略不計。

3.2.4 剛度退化分析

不同鋼材強度試件在不同剪跨比下的剛度退化曲線如圖12所示。

由圖12可知，隨著剪跨比減小，普通鋼材試件和低屈服點鋼材試件的剛度都有提升，但最終破壞狀態時不同剪跨比試件的抗側剛度相比初始階段更小，說明小剪跨比試件的剛度退化速率大于大剪跨比試件，這是因為小剪跨比試件能承受更大的剪力，而內部混凝土受損導致試件剛度退化更快。剪跨比相同時，低屈服點鋼材試件剛度退化比普通鋼材試件最大提高了59.37%。低屈服點鋼材試件在小剪跨比條件下的抗震性能表現更為優越，這為結構設計提供了更大的靈活性和安全性。

3.2.5 耗能能力分析

不同鋼材強度試件在不同剪跨比下的累計耗能曲線如圖13所示。

由圖可知，相同剪跨比下，低屈服點鋼材的累計耗能最高超出普通鋼材試件85.01%，隨著剪跨比減小，2種鋼材試件在初始階段的累計耗能均有小幅度提升，這是由于初始階段水平位移較小，滯回環面積較小，不同剪跨比之間的差距較小；之后隨著水平位移的增大，滯回環面積逐漸變大，累計耗能差距逐漸變大，說明隨著剪跨比的減小，試件耗能能力逐漸提高，這進一步證實了低屈服點鋼材在小剪跨比條件下的抗震性能優勢。

4 結 語

本文提出了一種新型LYP160低屈服點波紋雙鋼板組合剪力墻結構，并通過ABAQUS有限元軟件建立了相關模型，通過數值模擬與普通鋼材的抗震性能進行對比分析，得到如下結論。

1）隨著混凝土強度的增大，普通鋼材試件和低屈服點鋼材試件的屈服荷載和峰值荷載均有一定提高，延性有一定降低，剛度有一定提升，耗能能力基本上沒有變化。普通鋼材試件屈服荷載最高提升了14.68%，峰值荷載最高提升了10.63%，延性最大降低了15.32%；低屈服點鋼材試件屈服荷載最高提升了13.66%，峰值荷載最高提升了12.01%，延性最大降低了25.52%。普通鋼材試件承載能力受混凝土強度的影響更大，低屈服點鋼材延性、剛度受混凝土強度變化的影響更大。

2）隨著剪跨比的減小，普通鋼材試件和低屈服點鋼材試件的屈服荷載、峰值荷載和剛度均有大幅度提高，耗能能力有一定提升，延性略有下降，幾乎可以忽略不計。普通鋼材試件屈服荷載最高提升了62.67%，峰值荷載最高提升了65.28%，延性最大降低了2.89%；低屈服點鋼材試件屈服荷載最高提升了78.58%，峰值荷載最高提升了72.54%，延性最大降低了1.03%。普通鋼材試件剛度受剪跨比的影響更大，低屈服點鋼材承載能力和耗能能力受剪跨比變化的影響更大。

3）LYP160低屈服點波紋雙鋼板組合剪力墻在小剪跨比條件下展現出優異的抗震性能，尤其在耗能能力方面表現出色，因此其在結構抗震設計中具有一定的優勢。

本文主要分析了混凝土強度和剪跨比2個主要參數對LYP160低屈服點波紋雙鋼板組合剪力墻結構抗震性能的影響，今后會繼續對軸壓比、高厚比、鋼板強度等參數的影響開展試驗研究和理論分析。

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收稿日期：2024-07-08;修回日期：2024-11-30；責任編輯：王海云

基金項目：黑龍江省自然科學基金聯合引導項目（ LH2020E018）

第一作者簡介：

袁朝慶（1970—），男，黑龍江依安人，教授，博士，主要從事工程結構抗震方面的研究。E-mail：646231773@qq.com

袁朝慶，李月，李國洋，等.

LYP160低屈服點波紋雙鋼板混凝土組合剪力墻抗震性能分析

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YUAN Zhaoqing，LI Yue，LI Guoyang，et al.

Seismic performance analysis of LYP160 low-yield point corrugated double-steel concrete composite shear wall

［J］. Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2025，42（2）：137-145.