钢框架内填钢板剪力墙结构滞回性能研究

庄燕如

摘 要：在钢框架内填钢板剪力墙单向静力性能研究的基础进行了低周反复荷载下的滞回性能分析，研究为钢框架内填钢板剪力墙在抗震设计第二阶段的延性耗能提供理论依据。理论分析表明，三种钢板墙均可应用于多高层建筑钢结构的抗侧力结构中。相比较而言，非加劲板的滞回曲线呈捏拢形，在反向零位移时出现负刚度现象：十字加劲板的滞回曲线饱满，承载力有所提高：交叉钢板墙具有很高的承载力和耗能能力，但在很大程度上依赖于边柱的弹塑性行为。较大的板厚对提高承载力和滞回性能有利。

关键词：钢框架 滞回性能 试验模拟 屈曲性能

基金项目：福建省中青年教师教育科研项目资助（编号JAT160596）

随着建筑物高度的增加，特别对于高层建筑，水平荷载逐渐取代了竖向荷载的核心位置，成为结构设计的主要控制因素，因此，抗侧力构件的选择在高层建筑中变得尤为重要。楼层数的增加导致了传统的抗侧力构件已经不能满足高层建筑对于水平承载力及耗能的需求。钢板剪力墙结构是20世纪70年代发展起来的一种新型抗侧力结构体系。具有普通框架结构布置灵活、建筑自重轻、房屋可利用率高、构件易标准化、施工周期短、绿色环保、科技含量高适用范围广等优点，同时在处于抗震设防高烈度的地区，钢结构材料本身延性好能够吸收更多的外加能量因而抗震性能优于混凝土框架，从而大量应用于多高层建筑中。但是纯钢框架又有一个致命的弱点，就是抗侧向刚度性能低，水平荷载作用下变形较大，难以满足设计要求。在结构设计中，除了要考虑建筑自动、楼面人员和设备所带来的竖向荷载，还要考虑风荷载和地震的作用所带来的水平荷载。这些自然界的外加荷载，对于结构的破坏是很严重的。所以，在结构设计时也要采取必要措施来这类解决问题。解决这问题的最根本是在结构在选型时，是否选择了合适的抗侧力体系来抵抗侧向荷载的作用。

1 屈曲钢板墙抗剪理论分析（有限元模型 ）

在对屈曲钢板剪力墙进行数值分析时，将突出研究对象并使问题简化，采用了三种假设方法：1）框架梁、柱节点铰接；2） 框架梁、柱的抗弯刚度无限大；3） 忽略框架梁、柱的轴向变形的影响。 三种假定方法的目的在于分析内嵌钢板本身的抗剪性能：1） 采用梁、柱铰接模型，以剔除抗弯框架参与抗侧的影响；2） 梁、柱弯曲刚度无限大是为了给内嵌钢板的拉力场提供足够的锚固能力；3） 考虑到结构中框架梁一般与楼板相连，因而忽略横梁轴向变形；忽略柱的轴向变形是为屏蔽倾覆力矩的影响，着重分析内嵌钢板的剪切性质。

屈曲钢板剪力墙几何模型。模型由周边框架、内嵌钢板和位于钢板两侧的钢筋混凝土盖板等3部分构成。内嵌钢板为净尺寸3m×3m的方形板。

基于有限元软件对模型进行弹塑性抗剪极限承载力的分析。分析中用“面面接触”单元来模拟内嵌钢板与两侧混凝土盖板之间的相互作用：其中内嵌钢板的正负两个面均采用CONTA173接触单元，并分别与采用TARGE170目标单元的两侧混凝土盖板一一对应组成接触对。其中，接触表面有下面3个特点：1） 不相互渗透；2） 互相传递法向压力，并忽略内嵌钢板与两侧混凝土盖板的切向摩擦力，即认为目标单元的表面是理想光滑的；3） 互相不传递法向拉力。

在数值分析中，通过在连接螺栓部位设置节点自由度耦合的方式来模拟两种防屈曲钢板墙不同的受力机理：对于Ⅰ型防屈曲钢板墙，混凝土盖板与内嵌钢板在螺栓节点的线自由度完全耦合，三者始终共同工作；对于Ⅱ型，则仅耦合其面外自由度，释放其面内两个线自由度。

结构线性临界荷载值，然后以第一阶屈曲模态为依据对结构施加初始缺陷。先定义约束系数λ，对一字形截面钢板进行支持试验。λ为2%记录构件轴向荷载与轴向应变全过程曲线，并得到对应于2%轴向应变的最大抗压承载力P。对不同约束系数λ=0.54、λ=1.09、λ=2.1、λ=2.96分别记录抗屈曲支撑的荷载力比值）应变全过程曲线进行对比，所得最大荷载水平即为所求整体屈曲临界荷载。

通过进行有限元动力分析，比较分析得到其在动力特性（周期、振型等方面）的变化，总结结构在动力性能方面的变化；并通过进一步调整影响其工作机能的相关参数研究内填钢板支撑剪力墙钢框架结构在小震、大震等不同工作状况下的抗震机能。

2 非加劲钢板剪力墙滞回性能

加劲薄板变形，滞回曲线捏拢现象明显，在零点位移附近出现“零刚度”甚至“负刚度”效果。非加劲薄板的这种现象是由非外荷载反向作用时，拉力带反向受压，原先受压区域将过渡成拉力带区，每级荷载下出现了面外较大的变形累积，形成不可恢复的塑性变形，面外变形发展过程。

非加劲板滞回变形三种形式曲线较为饱满。在大侧移情况下，不论是非加劲厚板还是非加劲薄板，面外位移在反复荷载作用r呈单边发展趋势。因此，钢板墙刚度衰减不仅与板的塑性发展过程有关，而且与板面外大量变形有关。

反复荷载下板中面塑性应变发展规律与板高厚比五变化规律相吻合，方形厚板弹性屈曲荷载高，后屈曲的波带较宽，最大塑性应变发生在板主对角线和1/4跨度处t塑性应变较大。方板薄板弹性屈曲荷载低，后屈曲的波带宽度窄，钢板墙剪切变形主要集中在板的对角线上，整块板屈服。

3 结构抗震性能模型分析

采用SAP2000进行建模，将结构模拟成无限刚度，不考虑材料非线性和几何线性和不考虑围护构件对主体结构的影响。结构模拟计算有结构形式及构造特点、分析精度要求和计算容量来确定。材料阻尼选8%，结构质量有结构方案和材料特征有程序自动计算。楼面荷载为2kN/m2计算。通过模态分析，得到框架各阶频率模型。分析不同频率下产生的应力、变形和位移，再利用结构振动模态分析结构动力特征。得到各楼层的最大位移对结构从强到及变形两方面进行安全性检验。

4 塑性抗震性能分析

用动力分析作为各种简化计算方法的比较标准。按照地震波数据输入地面运动，通过积分运算，求得在地面加速度随时间变化期间内，结构的内力和变形随时间变化的全过程，相比弹性分析中的振型分解反应谱法和POA方法。对于质量与刚度明显不对称、不均匀的结构，应考虑双向水平振动和楼面扭转的影響：此时，楼面除有质量mi，（mi，为结构第i层的等效质量）外，还有转动惯量Ij对振动产生影响，这相当于协同工作计算法考虑了楼面转动时的情况。endprint

利用PKPM结构分析软件，在PMCAD中结合实际工程的建筑图纸建立模型。

SATWE模块会自动提取PMCAD所需要的数据，结合当地的地质情况进行抗震分析。结合动力学理论，研究对比各个结构的层间位移、平均位移、层间位移角，从而具体分析每种抗侧力体系的实际抗侧力性能，可能影响性能的一些外在因素。

5 总结

通过建模模拟试验研究分从理论方面对结构滞回性能进行分析，进一步获知内填钢板支撑剪力墙结构体系在多遇地震作用下的抗震性能及工作机理。试验结果揭示了在单向静力荷载性能研究的基础上进行了滞回性能的理论与试验研究。理论分析结果表明，（1）钢板墙承载力和耗能能力从高到低依次是交叉加劲板、十字加劲板和非加劲板。（2）厚擘钢板剪力墙框架表现出的非线性性能是由钢材的弹塑性引起的，薄壁钢板剪力墙表现出的非弹性性能则是由对角线方向拉力带形成及材料弹塑性引起的，该结论同样适用于低周反复荷载F的滞回性能。

参考文献

[1] 贾连光， 许峰， 张绍武. 轻型钢框架结构的抗震性能试验研究[J]. 工业建筑， 2005， 35（10）： 64―68.

[2] 刘肖凡，彭少民，李嵩峰；钢框架砌体围护体系试验研究及有限元分析[J].武汉理工大学学报；2004年12期

[3] 陈国栋，钢板剪力墙结构性能研究，清华大学博士学位论文.2002.06

[4] 丁戈；土坯填充墙钢框架抗侧性能有限元分析[D].西安建筑科技大学.2011

[5] 陈国栋，郭彦林；非加劲钢板剪力墙极限承载力.工程力学.2003（2）

[6] 李国华，郁银泉，顾强；钢框架内填混凝土墙结构体系有限元分析[J].四川建筑科学研究；2007年05期

[7] 蒋首超，李国强，叶绮玲；火灾下钢框架结构非线性反应分析与试验研究[J].工业建筑， 2004，（08）

[8] 刘肖凡，彭少民，李嵩峰；鋼框架砌体围护体系试验研究及有限元分析[J].武汉理工大学学报；2004年12期

[9] 陈国栋，郭彦林；钢板剪力墙低周反复荷载试验研究.建筑结构学报，2004（2）

[10] 彭俊，罗永坤，彭地；结构动力学、抗震计算与SAP2000应用[M].成都：西南交通大学出版社，2007

[11] Emori Katsuhiko.Compressive and shear strength of concrete filled steel box wall[J].Steel Structures，2002，26（2）：29-40

[12]LIAN Yeda，Zhang Xun′an，Sheldon Cherry； Damping Charac-teristics of Friction Damped Braced Frame and Its Effective-ness in the Mega-sub Controlled Structure System[J]. [M]；Earth-quake Engineering and Engineering Vibration； 2007， 2endprint