斜加劲薄钢板剪力墙滞回性能模拟

　　摘要：为研究肋板刚度比对斜加劲钢板剪力墙滞回性能和耗能能力的影响，运用有限元软件ABAQUS对14片斜加劲薄钢板剪力墙模型进行了数值模拟.对比分析了斜加劲与不加劲薄钢板剪力墙的滞回性能和耗能能力，通过对13片斜加劲薄钢板剪力墙模型的模拟试验，分析肋板刚度比对斜加劲薄钢板剪力墙的滞回性能和耗能能力的影响.结果表明：设置斜向加劲肋可以有效改善薄钢板剪力墙的滞回性能和耗能能力；肋板刚度比对斜加劲薄钢板剪力墙的滞回性能和耗能能力具有一定影响.

　　关键词：肋板刚度比；钢板剪力墙；滞回曲线；ABAQUS;有限元

　　引言

　　钢板剪力墙是一种用于高层、超高层建筑的抗侧结构构件[1]，其主要功能是为结构提供侧向刚度和耗散地震能量.与普通的混凝土剪力墙相比，钢板剪力墙具有自重轻、安装方便、延性好的特点[2]，具有广阔的发展前景.以往的研究表明钢板剪力墙内嵌钢板的厚度对钢板剪力墙的性能具有重要影响.当钢板剪力墙内嵌钢板较厚时，钢板剪力墙主要在柱面内工作，一般不会发生平面外屈曲[3]，且滞回曲线饱满、抗剪强度较高；当钢板剪力墙内嵌钢板较薄时，钢板剪力墙在侧向位移较小时就会发生平面外屈曲，因钢板剪力墙出现局部或整体失稳最终导致破坏，同时钢板剪力墙抗剪强度较低且滞回曲线具有明显EISD(hsina+bcosa)⑴式中，a为加劲肋与垂直方向的夹角，md;h为内嵌钢板高度，mm;b为内嵌钢板宽度，mm;E为弹性模量，MPa;Is为双侧斜加劲肋对内嵌钢板中面的惯性矩，mmD为内嵌钢板柱面刚度，N.mm.Is=23⑵式中，bs为单侧加劲肋宽度，mm;4为斜加劲肋厚度，mm.D-Et12(1-v勹(3)式中，v为泊松比；t为内嵌钢板厚度，mm.

　　3建立有限元模型

　　3.1模型尺寸设置了14片钢板墙模型，内嵌钢板均采用Q345，厚度3mm，高1800mm，宽3600mm，宽厚比1200.其中13组模型为带肋斜加劲钢板剪力墙，肋板刚度比分别为1、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120;为了与斜加劲钢板剪力墙模型进行对比研究设了1组不加劲钢板剪力墙模型.

　　3.2材料本构关系

　　采用双折线随动强化模型[7]，弹性模量Es=206GPa，屈服应力/y=345GPa，强化段切线模量Et=0.00837Es，本构曲线见图2.应变

　　图2本构关系的“捏拢，现象[4].虽然厚钢板剪力墙相较于薄钢板剪力墙其抗震性能较好，但厚钢板剪力墙由于采用较厚的内嵌钢板致使其造价高于薄钢板剪力墙.因此有学者提出采用设置加劲肋的方法改进薄钢板剪力墙的抗震性能.斜加劲薄钢板剪力墙是在墙体内嵌钢板的对角线方向布置斜向加劲肋，从而抑制钢板墙的平面外屈曲，改善薄钢板剪力墙的抗震性能.以往的研究主要关注斜加劲薄钢板剪力墙的力学性能如:特征屈曲、极限抗剪强度、屈曲后抗剪强度、骨架曲线，而关于其耗能性能的研究较少.本文运用有限元软件ABAUQS对斜加劲薄钢板剪力墙在低周期往复载荷作用下进行数值模拟，通过滞回曲线、滞回环面积的对比分析研究肋板刚度对斜加劲薄钢板剪力墙耗能性能的影响.

　　1.基本假定

　　框架梁假设为刚性体，焊接框架柱不因局部屈曲发生破坏[5].从不加劲钢板剪力墙的研究发现，钢板屈曲后形成拉力带，产生的拉力将作用于四周的结构构件.拉力带产生的横向拉力由两侧框架柱承担，而由于梁上下面均受到钢板墙拉力带的作用，所受拉力相互平衡，所以把梁设置为刚性体是合理的.同时为了更好地分析钢板墙的耗能性能排除其他因素的影响，框架梁与框架柱设置成铰接，即框架梁不传递弯矩，见图1.

　　2.肋板刚度比为了使研究更具普遍性，本文引入了肋板刚度比的概念.给出了斜加劲钢板剪力墙肋板刚度比"的定义[6]

　　图4滞回曲线控制位移/mm

　　图5耗能曲线

　　3.3肋板刚度比对斜加劲钢板剪力墙滞回性能的影响

　　图6给出了7片钢板剪力墙模型在7级位移载荷作用下的各级滞回环面积的变化曲线.为了避免曲线过密导致相互干扰不利于观察，图中只绘制了具有代表性的7组钢板剪力墙模型的滞回环面积曲线，这7组模型的肋板刚度比"分别为1、20、40、60、80、100、120.从图中可见：对于任意一片钢板剪力墙模型，在7级位移载荷作用下的各级滞回环面积都随着控制位移的增加而增加；对于肋板刚度比不同的钢板剪力墙模型，随着肋板刚度比n的增加，各级位移载荷作用下的各级滞回环面积同样增加，并且7组模型的滞回环面积变化曲线的变化趋势相似，并且曲线之间的间距比较均匀.图7为滞回环总面积随肋板刚度比变化的曲线，从图7中可以看到随肋板刚度比的增加滞回环总面积增加.除"=1这一点之外，曲线总体接近于直线，这表明滞回环总面积随肋板刚度比变化较均匀，这与图6呈现的规律相一致.

　　3.3网格划分与单元选择

　　钢板和加劲肋采用四边形壳单元S4R[8]，线性、有限薄膜应变、减缩积分；柱采用C3D8R，八节点线性六面体单元、减缩积分、沙漏控制，模型见图3有限元模型

　　3.4加载制度

　　使用拟静力方法对钢板剪力墙进行加载，采用位移控制加载，共设置了7个位移等级分别为2.25mm、4.5mm、9mm、18mm、25.7mm、36mm、45mm，每级循环两次.

　　4模拟结果及分析

　　4.1加劲肋对斜加劲钢板剪力墙滞回性能的影响

　　滞回曲线是构件在低周期反复载荷作用下载荷-位移关系曲线[9].通过滞回曲线可以直观了解构件的耗能性能.滞回曲线越饱满，滞回环面积越大贝IJ耗能性能越优良?.图4图不设加劲肋和设置斜向加劲肋且肋板刚度比为120时两种薄钢板剪力墙的滞回曲线.从图4中可见设置斜向加劲肋在一定程度上抑制了薄钢板剪力墙的“捏拢”现象，同时使得加劲后的薄钢板剪力墙的滞回曲线更加饱满.图5为两种钢板剪力墙在7级位移载荷作用下钢板墙抵抗各级载荷所消耗的能量（单位：kNmm)，从图5中可见加劲肋可以有效提高薄钢板剪力墙的耗能性能.依据模拟结果测算，斜加劲薄钢板剪力墙比不加劲薄钢板剪力墙总耗能提高26.4%，耗钢量增加了4.5%.控制位移/mm图67组模型耗能对比肋板刚度比图7滞回环总面积

　　5结论

　　(1)不加劲薄钢板剪力墙的滞回曲线存在明显的“捏拢”现象，耗能性能较差.而设置斜向加劲肋可以经济有效地改善薄钢板剪力墙的滞回性能.

　　(2)肋板刚度比对斜加劲薄钢板剪力墙的耗能性能具有重要影响，钢板墙的耗能能力会随着肋板刚度比的增加而增强.

　　(3)在同条件下，斜加劲薄钢板剪力墙的耗能总量与肋板刚度比在一定范围内的增长关系接近于一次曲线.这表明斜加劲薄钢板剪力墙的耗能能力会随着肋板刚度比的变化而均匀变化，不会发生突变.

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