On the hysteretic behavior of trapezoidally corrugated steel shear walls

At present, corrugated plates have numerous applications such as web of plate girders and aerospace applications. Higher out‐of‐plane stiffness and initial elastic strength of the corrugated plates compared with flat plates are reasons for consideration. This study investigates the behavior of trapezoidally corrugated steel plate shear walls (TCSPSWs) under monotonic and cyclic loadings. Finite element analyses that include both material and geometric nonlinearities are employed for the examination. The results from finite element analysis are verified through tested specimen findings. Moreover, the behavior of the steel shear walls with the flat infill panels and the corrugated plate infill panels is compared. The results show that explicit dynamic analysis is the most suitable analysis for the TCSPSWs under quasi‐static loading. Furthermore, although strength of the TCSPSWs obtained from the finite element analysis and the test are fully coincident in elastic region, nonetheless, they are fairly coincident in elastic–plastic and plastic region. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

半刚性连接钢框架-钢板剪力墙结构抗震性能试验研究

通过对半刚性连接框架-钢板剪力墙结构在水平反复荷载作用下的试验研究,得到了结构的滞回曲线、延性指标、水平刚度、梁柱应变、转角及各关键部位的变形。从耗能能力、刚度退化、承载力、延性等方面分析该种结构的抗震性能和耗能机理;依据应力分布、梁柱转角研究半刚性节点与钢板剪力墙的相互影响效果;分析结构的内力转换和破坏模式。结果表明：该结构具有良好的延性和耗能性能;半刚性节点在反复荷载作用下没有明显变形,节点刚度退化小,框架和钢板剪力墙协同工作良好;梁柱半刚性连接弱化了结构的整体刚度,框架自身承担的水平荷载有限;破坏模式为内填钢板剪力墙局部撕裂,拉力带作用明显,钢框架柱脚及梁柱半刚性连接部位形成塑性铰,框架整体呈弯曲破坏模式。图12表4参10     

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。     

三边约束组合钢板剪力墙单元抗震性能试验研究

提出一种适用于钢框架结构体系的新型组合钢板剪力墙单元,它由三边固接一边弹性约束的钢板和预制水泥基覆板组合而成。通过三种钢板宽厚比的纯钢板剪力墙和组合钢板剪力墙共6个试件的静力加载试验,考察宽厚比对三边约束钢板受剪承载力的影响,同时考察分析预制水泥基覆板对内嵌钢板的屈曲承载力和受剪承载力的影响。试验结果表明：宽厚比决定了钢板初始抗侧性能和屈曲模态;预制水泥基覆板对提高剪力墙单元受剪承载力和钢板屈曲承载力有一定帮助;通过有效抑制内嵌墙板的面外屈曲,可以提高组合钢板剪力墙单元的抗震性能。     

钢-混凝土组合梁开孔波折板连接件受剪性能试验研究

通过12组不同参数的开孔波折板连接件试件进行单调加载受剪试验,研究了不同构造参数的连接件试件的破坏形态、荷载-滑移特性、构造参数对受剪承载力的影响,以及贯穿钢筋的应变、开孔波折板的von Mises应力随荷载的变化规律。研究结果表明：开孔波折板连接件的荷载-滑移曲线基本可分为无滑移阶段、弹性阶段、塑性阶段及破坏阶段;波高和混凝土强度对连接件的承载能力、抗剪刚度、滑移特性等影响显著;开孔波折板焊接边的von Mises应力大于自由边,折板段的von Mises应力大于平板段,开孔周边板的von Mises应力随荷载增加而增加;结构参数相同的试件,贯穿钢筋直径越小,其承担的剪力越大,连接件波高越大,贯穿钢筋承担剪力越小;与开孔板连接件相比,无贯穿钢筋的开孔波折板连接件的受剪承载力提高了300%,设置贯穿钢筋的开孔波折板连接件的受剪承载力提高了约200%。     

四角钢连接钢框架-钢板剪力墙结构抗震性能研究

基于半刚接框架-钢板剪力墙试件的低周反复加载试验,采用ANSYS有限元软件对其滞回性能进行了数值模拟。分析循环荷载作用下试件的滞回性能及承载能力,考察其应力、变形发展历程、耗能机理和破坏模式。试验和有限元分析结果均表明：内填板的设置缓解了节点区自身的延性要求,框架和钢板墙协同工作良好,结构体系耗能优异,安全储备高,是一种理想的抗侧力结构体系。有限元模拟结构应力和变形发展历程与试验结果基本吻合。由于初始偏心、焊接残余应力等原因,弹性工作阶段,有限元分析的峰值荷载与试验值比较接近;进入塑性阶段,有限元分析的峰值荷载比试验值大,滞回环更饱满。     

钢板混凝土组合剪力墙轴压比影响研究

钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能与轴压比关系密切。采用Marc有限元软件对不同轴压比的钢板混凝土组合剪力墙进行了弹塑性分析,以考察轴压比对钢板混凝土组合剪力墙的抗侧刚度、滞回性能、耗能能力、变形能力以及承载力的影响,并对其分析模型进行了试验验证。研究结果表明：钢板混凝土组合剪力墙正截面承载力随轴压比变化,当轴压比为0.4时,承载力达到最大值;当轴压比在0.2～0.4范围时,钢板混凝土组合剪力墙变形能力最大,耗能能力最强;当轴压比超过0.6时,其变形能力下降,延性减小,耗能能力减弱;轴压比对钢板混凝土组合剪力墙的初始刚度有一定影响,伴随着往复加载,墙体抗侧刚度不断减小。研究中为了验证有限元分析结果的可靠性,进行了钢板混凝土组合剪力墙压弯受力缩尺模型试验。有限元数值模拟结果与缩尺模型试验结果比较接近,而按照JGJ 138-2012《组合结构设计规范》（报批稿）和纤维模型计算得到的钢板混凝土组合剪力墙正截面承载力偏于保守。为了保证钢板混凝土组合剪力墙良好的抗震性能,在实际工程中构件的轴压比设计值不宜过高。     

波形钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究

为研究波形钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能,完成了竖向波形钢板-混凝土组合剪力墙、水平波形钢板-混凝土组合剪力墙以及平钢板-混凝土组合剪力墙拟静力试验,研究了波形钢板-混凝土组合剪力墙在低周往复荷载作用下的变形能力和破坏模式,分析了荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、各阶段特征荷载和位移值等,以及结构的破坏特征、变形和耗能能力、刚度和承载力退化。试验结果表明：波形钢板-混凝土组合剪力墙具有较大的抗侧刚度、较好的延性和耗能能力;与平钢板-混凝土组合剪力墙相比,波形钢板-混凝土组合剪力墙有较好的界面黏结性能,而平钢板-混凝土剪力墙由钢板变形引起的混凝土剥落严重;波形钢板-混凝土组合剪力墙的初始刚度较平钢板-混凝土组合剪力墙的高,竖向波形钢板-混凝土组合剪力墙的承载力和极限位移较水平波形钢板-混凝土组合剪力墙的高,波形钢板-混凝土组合剪力墙的承载力退化和刚度退化比平钢板-混凝土组合剪力墙的慢,表现出较好的受力性能。采用ABAQUS有限元软件可以较好地模拟试验,有限元分析结果表明,波形钢板的应力分布比较均匀,组合作用效应明显,适合在抗震结构中采用。     

Seismic performance analysis and evaluation of tall structures using grille-type steel plate composite shear walls

Grille-type steel plate composite (GSPC) shear wall is an innovative wall system consisting of concrete cores, steel faceplates, steel tie plates, and steel channels with more advantages than conventional reinforced concrete (RC) walls, including better ductility, higher bearing capacity, and easy-modular characteristics. This paper mainly discusses the seismic performance and damage resistance of GSPC walls to the entire structure from the aspect of the structural level. Three nonlinear numerical models of high-rise structures with different structural heights and types were established by PERFORM-3D software to study the influence of GSPC walls on the change in structural internal forces and deformations compared with RC walls. One of these structures was selected to conduct the seismic fragility analysis based on the incremental dynamic analysis and to assess the structure's seismic performance with GSPC walls. Finally, the seismic damage prediction method was used to evaluate the damage levels of the GSPC wall structure. Results indicate that the structures with GSPC walls suffer more significant seismic forces than those with RC walls, although they experience lesser structural deformations. Moreover, GSPC walls can effectively improve the structure's collapse and seismic damage resistance.     

两边连接钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究及有限元分析

对两边连接钢板-混凝土组合剪力墙和两边连接钢板剪力墙进行了拟静力试验,研究了组合剪力墙在反复荷载作用下的力学性能,分析了混凝土板对组合剪力墙承载力和耗能能力的影响。采用有限元软件ANSYS分析了两边连接钢板-混凝土组合剪力墙的力学性能。研究结果表明：钢板剪力墙和组合剪力墙均表现出良好的延性;组合剪力墙中混凝土板的存在明显提高了其承载力和耗能能力,有效限制了钢板的平面外屈曲变形;在文中分析的参数范围内,当混凝土板厚度超过一定限值时能有效限制钢板的平面外变形,两边连接钢板 混凝土组合剪力墙的承载力主要与跨高比有关,随着跨高比的增加,组合剪力墙的承载力逐渐提高。     

竖波钢板组合剪力墙等效塑性铰长度研究

竖波钢板组合剪力墙因内嵌波形钢板的几何形状优势,表现出良好的抗震性能。在基于性能的抗震设计要求下,竖波钢板组合剪力墙等效塑性铰长度的确定对合理评估其塑性变形能力至关重要,但国内外已有公式均难以体现其复杂的组合作用,有待提出针对性的简化计算式。基于课题组前期试验成果,通过对竖波钢板组合剪力墙试验破坏现象和受力机理的分析,采用OpenSEES软件,建立有限元模型。扩展研究波形钢板几何参数、约束边缘H型钢柱、分布钢筋配置、混凝土强度、设计轴压比以及剪力墙高宽比等参数对等效塑性铰长度的影响规律,发现使用波形钢板含钢率可以更有效地反映波形钢板几何参数对等效塑性铰长度的影响,而混凝土强度和分布钢筋配箍率与等效塑性铰长度呈负相关。通过理论分析和推导提出多参数控制的竖波钢板组合剪力墙等效塑性铰长度简化计算式,该式适合于估算竖波钢板组合剪力墙的塑性变形能力,可以用于该类剪力墙的弹塑性分析。     

内置钢板与内置钢桁架混凝土组合剪力墙抗震性能对比研究

通过对2组内置钢板混凝土组合剪力墙和内置钢桁架混凝土组合剪力墙拟静力试验的模拟,确定计算模型的建立方法,并选取2片相同含钢率的内置钢板混凝土组合剪力墙和内置钢桁架混凝土组合剪力墙模型进行侧向低周反复荷载作用下的计算分析,对比了2片剪力墙模型的承载力、刚度及其退化过程、延性、耗能及滞回特性,并选取实际工程为算例,对采用两种组合剪力墙的整体结构从抗侧刚度、破坏模式、层间位移角、位移时程及塑性发展等方面进行了抗震性能的对比。研究结果表明：对于构件层次,随着墙体高宽比的增大,内置钢板混凝土组合剪力墙的承载力、耗能能力及延性逐渐优于内置钢桁架混凝土组合剪力墙;对于结构层次,当墙体高宽比较大时,采用内置钢板混凝土组合剪力墙结构的抗震性能要优于采用内置钢桁架混凝土组合剪力墙的结构。     

型钢高性能混凝土剪力墙受剪承载力试验研究

为了研究型钢高性能混凝土剪力墙受剪性能,进行了3片剪力墙试件水平加载试验,试件均发生剪切破坏,对影响其破坏形态、承载力及延性的主要因素进行了分析。根据试验结果,在我国现行《型钢混凝土组合结构技术规程》的型钢混凝土剪力墙受剪承载力计算公式基础上,提出型钢高性能混凝土剪力墙受剪承载力计算公式,通过计算结果与试验实测结果的对比,提出的公式能较好地反映试验结果,且计算结果偏于安全。     

高层屈曲约束钢板墙-混凝土框架结构抗震性能研究

为研究高层屈曲约束钢板墙-混凝土框架结构的抗震性能,分别设计了一个10层钢筋混凝土框架结构和屈曲约束钢板墙-混凝土框架结构模型,进行了地震作用下动力非线性分析。结果表明：屈曲约束钢板墙可显著减小高层钢筋混凝土框架结构在地震作用下的层间位移,同时在罕遇地震作用下框架中塑性铰的数量也有大幅减少,表现出良好的抗震性能。在此基础上,综合规范对框架结构和框架-抗震墙结构抗震等级和柱轴压比限值的规定,并结合屈曲约束钢板墙-混凝土框架结构的受力特点,提出了高层屈曲约束钢板墙-混凝土框架结构的抗震设计建议。建议屈曲约束钢板墙的边缘构件按框架结构确定抗震等级和柱的轴压比限值,其他框架部分根据其承担的地震倾覆力矩比例大小,按框架结构或框架-抗震墙结构确定抗震等级和柱的轴压比限值。     

方钢管混凝土暗柱内嵌钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究

以某超高层建筑核心筒剪力墙结构为原型,对两端为方钢管混凝土暗柱的内嵌钢板 高强混凝土组合剪力墙进行了拟静力试验研究。试验设计了3个剪跨比为2.0、设计轴压比为0.5的1∶7模型试件,主要变化参数为混凝土强度等级和含钢率。试验结果表明：试件的破坏形态主要为暗柱钢板竖向焊缝开裂、暗柱内混凝土压溃和底部外包钢板局部屈曲,墙中部混凝土的弯剪斜裂缝发展不明显;3个试件的滞回曲线都较为饱满,具有较高的耗能能力,承载力极限状态时的等效黏滞阻尼系数约为0.22;3个试件的屈服位移角平均值为1/214,极限位移角平均值为1/58,延性系数平均值为3.77;在整个加载过程中,弯曲变形和剪切变形对顶点位移的贡献比例基本保持不变,由剪切变形产生的顶点位移约占总顶点位移的20%。     

Numerical study on structural performance of corrugated steel plate shear wall with different yield points steel

As a new type of lateral load-resisting system in SPSW systems, corrugated SPSWs (CSPSWs) have been gradually researched and applied. Corrugated plates offer various advantages over flat plates including higher energy dissipation capacity, ductility, out-of-plane stiffness, and improved buckling stability. For seismic control and isolation techniques, low yield point (LYP) steels (LY100, LY160, and LY225) are the reliable and ideal energy-dissipating materials. The low yield point CSPSWs combine high energy-consuming materials with high-performance structures to provide a better solution for ductile and seismic resistance of high-rise and super tall buildings. Currently, there are no design codes addressing the seismic performance of LYP corrugated steel plate shear walls (CSPSWs). This study investigates cyclic behavior and energy dissipation performance of corrugated steel plate yield point (100, 160, 225, 235, and 345 MPa) of different thickness CSPSWs and determine the plate yield point that provides the optimum performance. Results and findings of this study reveal that compared with the ordinary yield strength corrugated steel plates, the low yield point CSPSWs have a larger safety factor of lateral bearing capacity, a fuller hysteresis curve, a strong energy dissipation coefficient, a larger ductility coefficient and a smaller fluctuation range of strength degradation coefficient, and better strength stability. The initial equivalent stiffness of CSPSWs with different yield strengths is the same.     

双钢板内填混凝土短肢组合剪力墙抗震性能试验研究

为了研究双钢板内填混凝土短肢组合剪力墙的抗震性能,进行了2层半单跨1/3缩尺试件的低周反复加载试验,分析了试件在循环荷载作用下的破坏机理、滞回性能、延性、刚度退化规律以及耗能能力。试验结果表明:双钢板内填混凝土短肢组合剪力墙滞回曲线饱满,耗能能力强,延性好,水平刚度较大;循环荷载作用下,连梁腹板首先屈服进入塑形,接着连梁两端翼缘、柱脚和剪力墙底部进入塑性;第2层连梁两端翼缘拉断,导致试件失效;剪力墙的线刚度远高于连梁的线刚度,水平荷载作用下连梁两端弯矩大,为结构的薄弱部位;为避免剪力墙自由边底部与梁连接部位发生破坏,在自由边处应设置边柱加强;试件达到峰值荷载时,顶点位移角为1/50;双钢板内填混凝土短肢剪力墙试件底层变形比2层小,耗能相对2层少;弹性范围内同一水平荷载作用下,连梁腹板的剪应变最大,边柱柱脚的正应变较大,剪力墙钢板的剪应变较小。ABAQUS 有限元分析结果与试验结果吻合较好。     

Analysis on shear capacity and energy dissipation of corrugated steel plate shear wall with openings

为明确波形钢板剪力墙不发生屈曲的界限条件并分析开洞对其承载力及耗能能力的影响，基于波形钢板剪切屈曲理论推导其屈曲应力计算式，并采用数值分析及变形等级划分方法得到约束刚度比取值范围，由此提出波形钢板剪力墙不发生屈曲的界限条件为屈曲应力大于剪切屈服应力且约束刚度比大于3。通过对比开洞模型的变形等级计算参数，验证界限条件对开洞波形钢板墙的适用性，建立有限元模型研究钢板墙高宽比、钢板厚度、开洞率、洞口高宽比及洞口位置对波形钢板墙承载力及耗能能力的影响。结果表明：钢板高宽比越小、板厚越大，开洞对其承载力及耗能能力的削弱程度越大，洞口高宽比在0.33~0.5之间时开洞波形钢板墙的承载力及耗能最大，中心开洞时的最小。基于波形钢板剪力墙全截面剪切屈服的受力机理对其受剪承载力和塑性耗能计算式进行推导，并通过拟合得到考虑洞口参数影响的开洞波形钢板剪力墙受剪承载力及耗能折减系数计算式；通过9组不开洞模型和30组不同洞口尺寸及位置的开洞模型对计算式的有效性进行验证。结果表明计算值与模拟值的误差均在15%以内，适用于满足无屈曲界限条件的开洞波形钢板剪力墙。     

开洞波形钢板剪力墙受剪承载力及耗能能力分析

为明确波形钢板剪力墙不发生屈曲的界限条件并分析开洞对其承载力及耗能能力的影响,基于波形钢板剪切屈曲理论推导其屈曲应力计算式,并采用数值分析及变形等级划分方法得到约束刚度比取值范围,由此提出波形钢板剪力墙不发生屈曲的界限条件为屈曲应力大于剪切屈服应力且约束刚度比大于3。通过对比开洞模型的变形等级计算参数,验证界限条件对开洞波形钢板墙的适用性,建立有限元模型研究钢板墙高宽比、钢板厚度、开洞率、洞口高宽比及洞口位置对波形钢板墙承载力及耗能能力的影响。结果表明：钢板高宽比越小、板厚越大,开洞对其承载力及耗能能力的削弱程度越大,洞口高宽比在0.33～0.5之间时开洞波形钢板墙的承载力及耗能最大,中心开洞时的最小。基于波形钢板剪力墙全截面剪切屈服的受力机理对其受剪承载力和塑性耗能计算式进行推导,并通过拟合得到考虑洞口参数影响的开洞波形钢板剪力墙受剪承载力及耗能折减系数计算式;通过9组不开洞模型和30组不同洞口尺寸及位置的开洞模型对计算式的有效性进行验证。结果表明计算值与模拟值的误差均在15%以内,适用于满足无屈曲界限条件的开洞波形钢板剪力墙。     

钢板带加强型型钢混凝土低矮剪力墙抗震性能试验研究

为进一步改善一字型内置竖向型钢混凝土低矮剪力墙的抗震性能,设计和完成了2个剪跨比为1.0的钢板带加强型内置竖向型钢混凝土低矮剪力墙低周往复水平加载试验,并与1个未设置钢板带的内置竖向型钢混凝土低矮剪力墙进行对比分析。试验结果表明:钢板带的设置使剪力墙的水平承载力有显著提升,极限位移角提高20%左右,满足了相关规范极限位移角大于1/100的要求;钢板带的设置使试件破坏模式发生变化,总耗能有大幅度提升;钢板带的设置要适度,不能过强,以免形成新的薄弱区。