屈曲約束開縫鋼板剪力墻性能研究①

李志軍

(同濟大學土木工程學院，上海200092)

0 引 言

鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)［1］是近幾十年在混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的基礎上迅速發(fā)展起來的一種較為新型的抗側(cè)向力結(jié)構(gòu)體系.

由帶豎縫混凝土剪力墻［2］引申出來的開縫鋼板剪力墻在水平荷載作用下，其變形主要為開縫部分的條帶彎曲變形和其余部分墻體的剪切變形組成.靠的是開縫條帶端部形成的塑性鉸來耗能.同時由于開縫的存在，大幅地提高了鋼板墻的延性.

目前開縫鋼板剪力墻的研究成果主要由Hitaka［3］等人所提出，其剛度、屈服承載力和極限承載力計算公式得到了廣泛的認可.在實際工程中將鋼板墻構(gòu)件按剛度等效原則替換成交叉支撐來進行參數(shù)設計，并通過實踐證明了其可靠性.同濟大學孫飛飛等通過大批的實驗與理論研究，證明屈曲約束開縫鋼板剪力墻具有穩(wěn)定且飽滿的滯回性能［4］，是一種較高效的耗能構(gòu)件.

綜上，目前已有的屈曲約束開縫鋼板剪力墻研究，雖然比較成熟，但各文獻所得的參數(shù)誤差不一，沒有經(jīng)過系統(tǒng)的分析且未建成如屈曲約束支撐那樣的完善的參數(shù)體系.本文將對四塊屈曲

約束開縫鋼板剪力墻的初始剛度、屈服承載力、第二剛度和極限承載力等參數(shù)進行分析，提出相應的滯回模型以便對鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)進行設計.

1 試驗概況

統(tǒng)計了4 塊屈曲約束開縫鋼板剪力墻進行研究，試件信息如表1.其各參數(shù)含義見圖1.

表1 試件設計信息

表2 試驗值與有限元對比

SPW1 165 555 1050 165 550 950 SPW2 254 810 1360 260 800 1150 SPW3 85 350 655 85 350 650 SPW4 140 500 1000 140 500 930

SPW1 ～SPW3 墻板采用BLY225，SPW4 采用Q235.由表1 可見，試件涉及的鋼板墻高寬比范圍較廣，具有一定的普遍意義.

圖1 屈曲約束開縫鋼板剪力墻參數(shù)

圖2 SPW1 試驗結(jié)果與有限元對比

圖3 SPW2 試驗結(jié)果與有限元對比

圖4 SPW3 試驗結(jié)果與有限元對比

圖5 SPW4 試驗結(jié)果與有限元對比

圖6 應變測點布置圖

2 結(jié)果分析

2.1 試驗結(jié)果及有限元分析

將有限元模擬的單調(diào)曲線與實驗所得滯回曲線對比如圖2 ～圖5，可見有限元曲線與實驗所得的骨架曲線吻合良好.將試件及有限元得到的初始剛度、屈服承載力及極限承載力分別對比如表3 所示也表明有限元結(jié)果與實驗結(jié)果符合良好.

2.2 試驗框架承擔的剪力分析

以上實驗及有限元所得結(jié)果為屈曲約束開縫鋼板剪力墻與兩側(cè)試驗框架柱的共同作用.由于重復加載，實驗框架柱性能已基本趨于彈性，可在所得結(jié)果中扣去框架柱的貢獻，所得即為鋼板墻的抗側(cè)貢獻.根據(jù)應變測點布置及測量理論可得:

則柱子分擔的剪力為:

建立實驗框架的有限元模型，根據(jù)以上分析得到兩側(cè)柱剪力貢獻的滯回曲線及有限元對比見圖7，得到試驗框架剛度為4.5kN/mm.

表3 鋼板剪力墻實驗值與理論值對比

3 鋼板剪力墻參數(shù)體系

由上節(jié)分析，扣除實驗框架柱的貢獻可得到屈曲約束開縫鋼板剪力墻的各參數(shù)如表4.

3.1 初始剛度及極限承載力

初始剛度計算公式2［8］全面地考慮了彎曲桿的彎曲變形和剪切變形、上下板帶及縫間板帶的剪切變形還有上下板帶的彎曲變形.由表4 的初始剛度誤差對比可見，公式2 能夠較準確地描述屈曲約束開縫鋼板剪力墻的初始剛度.

同時，由表4 的極限承載力誤差分析可見，極限承載力(公式3)的設計公式也是合理的.

3.2 屈服承載力

無面外約束的開縫鋼板剪力墻其屈服強度的計算是考慮開縫條帶的彎曲桿邊緣進入塑性時刻，得到的初始屈服強度:

其與實驗值對比如表4 所示，誤差基本在35%左右.可見，將屈曲約束開縫鋼板剪力墻的構(gòu)件屈服時刻定為條帶邊緣屈服時刻是不合理的.無面外約束的開縫鋼板剪力墻當其條帶邊緣進入屈服后迅速失穩(wěn)，整個鋼板墻構(gòu)件出現(xiàn)面外屈曲.而屈曲約束開縫鋼板剪力墻由于面外約束的作用，在使用期間不會產(chǎn)生面外屈曲，所以在條帶邊緣纖維屈服后承載力還能穩(wěn)定增長.

圖7 實驗框架的滯回曲線及有限元對比

分析條帶端部的塑性發(fā)展過程:邊緣纖維達到彈性極限后，條帶部分逐步進入塑性.塑性部分因材性強化仍具有一定的剛度.截面彈性極限到全截面進入屈服的過程，鋼板剪力墻的側(cè)移并不大.可見對于鋼板墻試件而言，由邊緣屈服狀態(tài)到全截面屈服狀態(tài)的剛度變化并不明顯且在很短的側(cè)移內(nèi)完成.基于以上分析，建議鋼板墻構(gòu)件的設計屈服承載力取條帶全截面屈服時刻，且在該時刻試件剛度有明顯的變化.這一點也可由圖2 ～圖5 的實驗曲線得到證實.即取屈曲約束開縫鋼板剪力墻的屈服承載力為:

可得各鋼板墻參數(shù)對比如表5.

由表5 可見，修正取值時刻后的屈曲約束開縫鋼板剪力墻屈服承載力設計公式能較準確地評價試件的性能.

表4 修正后的屈服承載力對比

3.3 彈塑性滯回模型

對鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)進行彈塑性地震位移反應分析時，需將鋼板剪力墻等效為交叉支撐，于是需要確定用于等效支撐彈塑性分析的相應滯回模型.由于屈曲約束開縫鋼板剪力墻性能穩(wěn)定，滯回曲線飽滿，可采用雙折線滯回模型，如圖8.

圖8 屈曲約束開縫鋼板剪力墻的彈塑性滯回模型

其中:K 為初始剛度.Nby為屈服承載力;q 為構(gòu)件的強化系數(shù)

3.4 第二剛度

葉列平［5］等人的研究表明，具有一定第二剛度的強化型結(jié)構(gòu)體系是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能化抗震設計的必備條件.同時離散性與震后殘余變形也得到明顯減小.可見鋼板墻的第二剛度對結(jié)構(gòu)整體性能具有顯著影響.

單向構(gòu)件如支撐等，其結(jié)構(gòu)的第二剛度與初始剛度之比應與相應鋼材的強化系數(shù)相當.而對于各種維度的構(gòu)件來說，單向構(gòu)件的剛度強化系數(shù)是最小的.鋼板剪力墻是二維構(gòu)件，表6 對本文所述4塊鋼板墻試件的統(tǒng)計結(jié)果也表明，盡管分布趨勢不明顯，但試件的剛度強化系數(shù)均比相應鋼材的要大.故可偏安全地取材料的強化系數(shù)為結(jié)構(gòu)的強化系數(shù).

表5 試件與材料的剛度強化系數(shù)對比

4 結(jié) 論

(1)本文基于對塑性發(fā)展過程的分析，改取屈服時刻為條帶端部全截面屈服時刻，并證明了修正后的屈服承載力能較好地表達屈曲約束開縫鋼板剪力墻作為耗能構(gòu)件的特性.

(2)本文通過分析證明，現(xiàn)有的設計公式能較準確地描述屈曲約束開縫鋼板剪力墻的初始剛度及極限承載力.

(3)本文考察了屈曲約束開縫鋼板剪力墻試件第二剛度與第一剛度的相互關系，提出可偏安全地取鋼板墻材料的強化系數(shù)為鋼板墻構(gòu)件的強化系數(shù).

(4)本文通過逐項論證，得到了用于屈曲約束開縫鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)彈塑性地震位移反應分析的雙折線滯回模型.完善了屈曲約束開縫鋼板剪力墻的設計體系.

［1］ 郭彥林，等.鋼板剪力墻的發(fā)展與研究現(xiàn)狀［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2005，20(1)，1.6.

［2］ 張耀春，劉永華，丁玉坤，張文元.帶豎縫鋼筋混凝土剪力墻板的簡化靜力分析模型［J］.土木工程學報，2006，39(9):62－67，79.

［3］ TokoHitaka，Chiaki Matsui.Experimental Study on Steel Shear Wall with Slits.Journal of Structural Engineering，ASCE，2003.

［4］ 王鵬志.不同高寬比防屈曲開縫鋼板墻抗震性能研究［D］.上海:同濟大學，2012.

［5］ 葉列平，陸新征，等.屈服后剛度對建筑結(jié)構(gòu)地震相應影響的研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學報［J］.2009，4(3):38－45.