框架-新型带缝钢板剪力墙抗震性能数值分析

蝶形和梭形两种不等高开缝形式的钢板剪力墙可以在提高墙板刚度和极限承载力的同时,保证其耗能性能不降低。本文将这两种新型带缝钢板剪力墙应用于钢框架结构中,采用数值模拟的方法对其滞回性能及耗能性能进行研究,并与内嵌传统等高开缝钢板剪力墙的框架结构进行对比分析。将壁式框架等代模型用于模拟不等高开缝钢板剪力墙受力特性,并将计算结果与ABAQUS壳单元计算结果进行对比。结果表明:相对于传统开缝钢板剪力墙而言,内嵌新型开缝钢板的框架结构的抗侧刚度和极限承载力均有显著提高,且具有良好的耗能性能;柱轴心压力对结构刚度影响不大,且对承载力的影响能控制在20%以内,对耗能性能影响不大,只是导致结构提前丧失工作能力;壁式框架等代模型可以较准确地模拟不等高开缝钢板剪力墙的受力特性。     

开缝形式对钢板剪力墙受力性能的影响

本文首先验证了ADINA有限元软件进行带缝钢板剪力墙数值模拟的可行性,然后将普通开缝钢板剪力墙与无缝钢板剪力墙进行对比,分析了两者在受力性能上的优缺点。建立了3种不同开缝形式的钢板剪力墙,对其施加水平往复荷载,对比分析它们的初始抗侧刚度、屈服荷载、延性系数、极限承载力等,提取了往复荷载作用下的滞回曲线和骨架曲线,分析了各开缝形式的应力、应变云图,研究了不同开缝形式对其受力性能的影响,从而找出了较佳的开缝方式。     

不等高开缝钢板剪力墙屈曲分析

开缝钢板剪力墙具有延性好、耗能性能稳定以及能削弱拉力带效应等优点。剪力墙中开设的竖缝将整个内嵌钢板分割成若干条竖向墙肢,使开缝钢板剪力墙主要通过墙肢的面内弯曲,在墙肢两端形成塑性铰耗能。针对两种不等高类型开缝钢板剪力墙进行屈曲分析,考察开缝斜率对钢板剪力墙屈曲性能的影响。分析结果表明,相对于缝高斜率为零的等高开缝钢板剪力墙,不等高开缝钢板剪力墙的抗侧刚度和极限承载力得到显著提高。"梭型"开缝试件边缘墙肢应力较为集中。"蝶型"开缝试件应力分布较为均匀,特别是缝高斜率为0.39的试件,墙肢几乎同时屈服,能较好发挥中间墙肢耗能性能。     

开缝钢板剪力墙滞回性能研究

开缝钢板剪力墙的开缝形式能够改善结构破坏形式、提高耗能能力及延性。为研究不同开缝形式和开缝参数对开缝钢板剪力墙的滞回性能影响,利用ABAQUS有限元软件建立了开缝钢板剪力墙的数值模型。结果表明,有限元计算结果和试验结果吻合较好。设计了竖缝、斜缝和对称斜缝3种开缝形式,通过28个钢板剪力墙试件的计算分析发现开缝钢板墙能够很好地实现屈曲前屈服。开缝使得钢板墙的承载力和刚度明显下降,但滞回环饱满,具有较好的耗能性能;而对称斜缝钢板墙可获得较好的屈服耗能。研究结果表明:缝间墙肢宽高比为0.2时的钢板墙刚度和耗能性能较好;通过合理设置钢板墙中的开缝参数,可使得钢板墙具有可控的抗侧刚度和承载力,获得较好的抗震耗能能力。通过骨架曲线上的特征点对开缝钢板墙的受力过程进行分析,考察了缝间墙肢宽高比b/h和高厚比h/t对开缝钢板墙滞回性能的影响。     

开缝钢板加固既有钢筋混凝土剪力墙抗倒塌性能试验研究

老建筑中小跨高比剪力墙的抗震能力往往不能满足当前的抗震设计要求,尤其是底部或转换层中的剪力墙,在高轴压比下容易发生脆性剪切破坏而导致整个剪力墙体系的倒塌。为了提高既有小跨高比剪力墙在地震中的抗倒塌性能,提出了一种新型的开缝钢板加固法。研究了开缝钢板加固法对钢筋混凝土剪力墙的破坏形式、滞回曲线、延性和抗倒塌性等受力性能的影响。按照高宽比1∶1的比例制作4个钢筋混凝土剪力墙试件,并对其中的1个试件使用未开缝钢板进行加固和对2个试件使用开缝数量不同的钢板进行加固。通过低周反复荷载及高轴力试验表明,未进行钢板加固的剪力墙和采用未开缝钢板加固的剪力墙均发生了倒塌破坏。而采用开缝钢板加固的剪力墙未发生倒塌破坏,并且其延性和耗能能力都有所提高。     

双波形钢板剪力墙滞回性能研究

为研究双波形钢板剪力墙的滞回性能,利用有限元软件ABAQUS分别建立单波形钢板剪力墙与双波形钢板剪力墙的有限元模型,对2种波形钢板剪力墙在低周往复荷载作用下的受力机制及滞回性能进行对比分析,研究了内嵌波形钢板的设计参数对双波形钢板剪力墙滞回性能的影响规律,给出了波形钢板设计参数的取值建议。结果表明:与单波形钢板剪力墙相比,双波形钢板剪力墙的抗侧刚度、承载能力及耗能能力均提高,但其延性有一定程度的降低; 内嵌波形钢板的厚度与波形几何尺寸是影响双波形钢板剪力墙滞回性能的关键参数,随着厚度的增大,双波形钢板剪力墙的抗侧刚度、承载能力、耗能能力及延性均提高; 随着波长的增加,双波形钢板剪力墙的抗侧刚度提高,但承载能力及耗能能力降低; 随着波幅的增加,双波形钢板剪力墙的抗侧刚度降低,但承载能力及耗能能力均提高。     

带缝钢板剪力墙受力性能分析

选择9种单榀单跨带缝钢板剪力墙结构单元在水平正弦周期往复荷载作用下进行受力性能分析,总结开缝设计参数比h/b、h/H、hm/hd对带缝钢板剪力墙受力性能的影响,并选出参数比h/b、h/H、hm/hd下的最佳比值。结果表明：h/b=5时的带缝钢板剪力墙结构单元的侧移刚度、承载能力大,抗侧能力强,滞回性能好,耗能能力强;当h/b=5一定时,h/H=0.29的带缝钢板剪力墙结构单元的承载能力大,滞回性能好,耗能能力强;当其他开缝设计参数一定时,hm/hd=1.67时的带缝钢板剪力墙结构单元的延性大,滞回性能好,耗能能力强。     

新型冷弯薄壁型钢板剪力墙抗侧性能试验研究

为了研究新型冷弯薄壁型钢板剪力墙的抗侧性能,以C形+U形龙骨抱合的形式作为剪力墙试件的边柱截面形式,并在边柱之间设置薄钢板,共设计了两种不同宽度的剪力墙试件,对两种剪力墙试件均进行了单调加载和低周往复加载试验.通过试验得到了新型冷弯薄壁型钢板剪力墙在各阶段的荷载及位移特征值、荷载-位移曲线、骨架曲线及破坏形态,并对结构的破坏特征、耗能能力、刚度及承载力退化进行了分析.试验结果表明:新型冷弯薄壁型钢板剪力墙通过边柱之间的薄钢板受力形成钢拉力带与边柱一起共同承受水平荷载,表现出良好的抗侧性能,其破坏形式均为边柱被压溃或撕裂而导致试件破坏;同时发现,减小墙体的高宽比可以提高剪力墙的耗能性能、刚度及承载力,明显改善墙体的抗侧性能.     

开缝钢板墙抗震性能的试验研究

为了研究开缝形式对开缝钢板墙抗震性能的影响,完成了6组共12片1∶4比例的开缝钢板墙试件的往复加载试验。试验结果表明:开单层竖缝钢板墙的屈曲形态是竖缝间板带的单独扭转屈曲形态(第一类屈曲形态),屈服与破坏集中在竖缝的端部,造成竖缝间板带逐渐断裂,导致试件的刚度与承载力逐渐下降,滞回曲线出现剪切滑移现象;开双层竖缝钢板墙的屈曲是板内对角方向形成斜拉带的整板屈曲形态(第二类屈曲形态),到剪切位移角超过4%,试件的承载力没有出现下降,且滞回曲线相对饱满;竖缝间板带的长宽比越大,试件的抗侧刚度与屈服承载力越低;与开单层竖缝试件相比,开双层竖缝墙板的抗侧刚度与屈服承载力均明显提高。建议的试件初始刚度和承载力理论计算结果与试验得到的结果基本一致。     

波纹钢板剪力墙抗震性能试验研究

提出一种新型钢板墙-波纹钢板剪力墙。设计了两个不同形式的波纹钢板剪力墙试件,采用低周往复加载试验,分析二者的破坏形式,对滞回曲线、骨架曲线、延性、刚度及耗能性能等性能进行了系统的研究。研究表明：两种波纹钢板剪力墙均具有较高的极限承载力及初始刚度;屈曲承载力较高,屈服位移较小,能够较快地进入塑性耗能;滞回曲线较为饱满,不易发生捏缩现象。与横向波纹钢板剪力墙相比,竖向波纹钢板剪力墙的滞回性能及屈服后承载力更加出色。结果表明,在合理的参数设计下,所提出的波纹钢板剪力墙承载力高、耗能性能较强,是一种极具前景的新型抗侧力构件及耗能构件。     

冷弯薄壁型钢-钢板剪力墙抗震性能试验研究

为研究冷弯薄壁型钢-钢板剪力墙结构的抗震性能,对冷弯薄壁型钢边柱内置薄钢板剪力墙进行低周往复加载试验,对比不同边柱截面厚度及截面形式对其抗震性能的影响。试验中得到了冷弯薄壁型钢-钢板剪力墙的破坏形态、荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、荷载及位移特征值,并对结构的破坏特征、延性、耗能能力、承载力及刚度退化进行分析。结果表明:冷弯薄壁型钢-钢板剪力墙具有良好的抗震性能;增加边柱截面厚度及选用帽形边柱均可提高剪力墙的承载力、刚度及耗能性能。计算3个试件受剪承载力设计值和弹性抗侧刚度,其值均高于常用冷弯薄壁组合墙体的;结合破坏特征提出冷弯薄壁型钢-钢板剪力墙3个受力阶段;边柱对剪力墙破坏起控制因素,工程设计中应保证边柱承载能力,宜采用"强边柱、弱钢板"的设计理念。     

带钢板剪力墙半刚接钢框架受力性能研究

基于支撑杆件和钢板受力情况以及实际钢结构工程中半刚性节点安装以及受力性能,提出了半刚接-带支撑钢板剪力墙结构体系。通过有限元软件ANSYS对单跨一层半刚接-带支撑钢板剪力墙结构进行了变参数(板厚、支撑形式、支撑大小、跨高比)非线性静力性能分析;结果表明:带支撑钢板剪力墙对提高半刚接钢框架承载力以及抗侧移刚度影响显著,并且半刚接-带支撑钢板剪力墙结构体系延性性能良好。     

利用钢板剪力墙耗能的自复位结构抗震性能研究

为考察利用钢板剪力墙耗能的自复位结构的抗震性能,通过理论分析和有限元模拟,研究钢板剪力墙厚度和钢绞线的预拉力对结构的影响。对结构受力性能进行分析,得到结构的理论复位刚度值。采用有限元对模型试件在循环荷载作用下的抗震性能进行模拟,通过对所得滞回曲线、结构耗能性能、骨架曲线、结构水平承载力、抗侧刚度及延性的分析,了解各个影响因素对结构的作用并与理论计算进行对比。结果表明:随着钢板剪力墙厚度的增加,结构在相同循环荷载作用下,每次循环的耗能量增加,承载力显著增大,延性更优,但是结构的复位能力逐渐变差;随着钢绞线的预拉力增加,每次循环的耗能量略微减小,结构最大层间位移增加,致使极限承载力增大,并且使结构的复位能力增强。     

单层单跨自复位钢板剪力墙结构受力性能有限元分析

自复位钢板剪力墙(SC-SPSW)结构由后张预应力(PT)框架与钢板剪力墙组合而成,该类墙体由钢板剪力墙为结构提供抗侧刚度与耗能,由PT梁柱节点提供自复位力。基于ABAQUS有限元软件,采用壳单元模拟钢板剪力墙,分别建立了两层单跨和单层单跨SC-SPSW的数值模型。通过对比两层单跨SC-SPSW受力性能的数值模拟结果与试验结果,验证了该建模方法的有效性;通过改变钢板剪力墙的长度与厚度,对单层单跨SC-SPSW的滞回性能、自复位能力、钢板剪力墙受力性能以及结构基底剪力进行了参数分析,分析了钢板剪力墙拉力带内力的分布与发展规律。结果表明:随着钢板剪力墙长度与厚度的增大,其受压承载力增大,对结构的自复位性能产生的不利影响越明显;钢板剪力墙长度对单层单跨SC-SPSW的PT框架承担剪力的影响可忽略;结构基底剪力与钢板剪力墙长度和厚度均成正比;该建模方法能够精细模拟SC-SPSW中钢板剪力墙的应力分布行为,可用于含有复杂钢板剪力墙构造的SC-SPSW建模分析。     

开缝钢板剪力墙的理论分析与数值模拟

开缝钢板剪力墙是一种新型的抗侧力构件,具有良好的延性和稳定的滞回性能,本文在理论分析的基础上,对开缝钢板剪力墙初始弹性刚度以及极限承载力估算公式进行了修正,利用公式对不同尺寸、开缝形式的开缝钢板墙进行了计算,并进行了非线性有限元分析。与试验结果对比表明,修正后的理论公式和有限元分析能够较好预估面外变形较小的墙板的性能,对墙板的极限承载力的估计值也能与试验值较好吻合,有限元结果很大程度上高估墙板的初始刚度。本文的分析和结论为开缝钢板剪力墙的数值模拟与手算复核提供了建议和依据。     

无粘结十字加劲钢板剪力墙结构抗剪性能分析

十字加劲钢板剪力墙已被试验证明是优秀的抗侧力耗能构件,但加劲构件与内嵌钢板无粘结时,其对内嵌钢板的作用尚需进一步研究。利用有限元分析软件ABAQUS,对单层单跨无粘结十字加劲钢板剪力墙结构的抗剪性能进行数值模拟,分析在水平荷载作用下,构件的受力破坏特征及抗剪性能。研究表明,无粘结十字加劲钢板剪力墙结构具有良好的延性及抗剪性能,内嵌钢板能承担更多的剪力,对周边框架不利作用的降低幅度与传统十字加劲钢板剪力墙基本相同。参数分析结果表明:框架柱轴压比、墙体高厚比和肋板刚度比是影响钢板剪力墙抗剪性能的主要因素。     

钢结构束柱的抗侧性能分析

将普通钢支撑和屈曲约束钢板剪力墙引入到束柱中,并选择2层的平面钢束柱,对比研究了不同支撑布置方式以及不同钢板剪力墙尺寸下束柱的承载力、抗侧刚度和延性。结果表明:钢支撑束柱的抗侧性能与支撑的数量及长细比密切相关;屈曲约束钢板剪力墙能够为束柱提供很大的抗侧刚度,同时也承担了绝大部分层间剪力;在相同缩进高度下,增加钢板剪力墙的缩进宽度对束柱抗侧性能的提升效果明显。     

钢板混凝土组合剪力墙拉弯性能研究

在地震作用下超高层建筑核心筒底部墙体会承受较大的轴向拉力,为此采用Marc有限元软件建立钢板混凝土组合剪力墙弹塑性有限元分析模型,对钢板混凝土组合剪力墙拉弯受力状态下的抗震性能进行了深入研究。提出拉弯构件轴拉比的定义方法,考察轴拉比大小对钢板混凝土组合剪力墙抗侧刚度、滞回曲线、等效黏滞阻尼系数、位移延性系数、变形能力以及承载力的影响。在拉弯受力时,钢板混凝土组合剪力墙达到极限变形时承载力下降不明显,滞回曲线饱满,变形能力较强;轴拉比越大,承载能力越低,位移延性系数越小;当轴拉比大于0.2时,初始抗侧刚度下降50%以上。随着水平往复荷载逐渐增大,抗侧刚度不断降低。所完成的钢板混凝土组合剪力墙在低周往复荷载下的缩尺模型试验结果表明,拉弯受力破坏时,试件表面出现多条水平贯通裂缝,最终根部钢筋拉断,承载力和极限变形能力与弹塑性有限元分析结果吻合良好。钢板混凝土组合剪力墙具有良好的承载力与变形性能,是解决超高层建筑墙体在地震作用下承受轴向拉力的有效形式。     

开缝钢板墙及其在高层钢框架结构中应用试设计

介绍6组共12个1∶4缩尺开缝钢板墙试件往复加载试验研究。试验结果表明,由于钢板中对角拉带作用的存在,开设双层竖缝钢板墙的性能比开设单层竖缝钢板墙的性能更好。根据试验结果并结合理论分析,建议考虑板带端部附加变形影响的开缝钢板墙抗侧刚度与受剪承载力计算公式。以北京长富宫饭店钢框架结构为背景,试设计了一填充开竖缝钢板墙的框架结构,基于结构弹性层间位移角满足要求与墙板屈服时侧移角不小于1/300的原则,介绍了布设开缝钢板墙的方法与结构抗震设计过程,通过对新设计结构与原结构弹塑性时程分析结果及用钢量的比较,表明设置开缝钢板墙不仅可以提高框架结构的抗侧刚度,改善整体结构的抗震性能,而且可以节省钢材,震损后易于更换,是改善框架结构抗震性能的一种有效方法。     

钢板剪力墙振动台试验的等效模型

为解决钢框架钢板剪力墙结构振动台试验缩尺模型中的剪力墙钢板厚度过薄的问题,依据结构初始抗侧刚度或承载能力等效的原则,提出中心支撑和I形钢板剪力墙两种等效模型,采用数值分析的方法,通过有限元软件ABAQUS建立精细化模型,对原型结构的钢板剪力墙和等效模型的刚度与承载力等抗震性能进行了对比分析。研究结果表明:两种等效替代模型均具有良好的耗能能力,能够在抗侧刚度或承载能力方面满足原型结构的等效设计要求,解决了模型结构中剪力墙钢板厚度小的难题;中心支撑等效方案仅可实现剪力墙的刚度或承载力单目标等效,而I形钢板剪力墙可以通过控制开洞口的尺寸,实现其刚度和承载力同时等效,为钢板剪力墙振动台试验模型的等效替代提供了参考。