竖向加劲钢板剪力墙试验研究

为研究加劲肋和竖向荷载对钢板剪力墙受力性能的影响,分别对1榀和2榀竖向加劲钢板剪力墙进行推覆和往复试验,其中往复试验中以有限竖向荷载为控制变量。通过考察剪力墙板变形性能以及竖向加劲肋的整体屈曲及局部屈曲,得到试件的推覆曲线和荷载-位移滞回曲线,并基于试验结果分析试件承载力、抗侧刚度和耗能能力等力学性能。结果表明:有限竖向荷载对竖向加劲钢板剪力墙的屈曲荷载、抗侧刚度和耗能性能影响较大,对屈服荷载和极限承载力影响较小;并给出了竖向加劲肋和侧边加劲肋的门槛刚度系数值。     

十字加劲钢板剪力墙的抗剪极限承载力

我国《高层民用建筑钢结构技术规程》规定了钢板墙剪切弹性屈曲不先于剪切屈服,其明显的不足是没有利用板的屈曲后强度,同时弹性屈曲也不能作为结构在弹塑性阶段的设计指标。本文应用板的大挠度弹塑性有限元方法对十字加劲方形钢板剪力墙的屈曲后性能和极限承载力进行了系统的研究,并在大量数值分析的基础上,提出了以板的平均剪切应变相应的剪应力作为钢板剪力墙承载能力的极限状态,以达到利用薄板屈曲后强度的目的,进而提出了钢板剪力墙承载力的设计简化计算公式及钢板墙侧柱刚度阈值的计算公式,供设计参考。数值计算结果表明,影响钢板墙抗剪性能主要有三个参数:板高厚比、肋板刚度比和边柱刚度。     

箱板式钢结构住宅底部加强区的单片组合墙体有限元分析

提出一种既能承压又能抗剪的新型组合钢板墙,通过有限元软件ABAQUS分析其与普通钢板墙、带竖向加劲肋钢板墙在水平往复荷载作用下的承载力和滞回性能的异同点;着重分析螺栓间距、混凝土板厚度、钢板高厚比、钢板与混凝土板间隙和竖向荷载对组合墙承载力和滞回性能的影响。分析结果表明:组合钢板墙中加劲肋和混凝土板的存在有效抑制了钢板的平面外屈曲变形,提高了承载能力和滞回性能;螺栓间距越小,承载能力和滞回性能越好;混凝土板厚度越大,滞回性能越好;钢板高厚比越小,承载能力和滞回性能越好;钢板与混凝土板间隙对承载能力和滞回性能影响很小;竖向荷载越大,延性越差,耗能能力越强。     

带肋箱板式钢结构住宅底部加强区墙体抗震性能试验研究

提出一种带加劲肋和混凝土约束面板的组合钢板墙,主要应用于箱板钢结构装配式住宅底部加强区。设计制作了2个1/3比例的钢板墙试件,1个为带竖向加劲的钢板墙,1个为带竖向加劲和混凝土约束面板的组合钢板墙,并进行了低周反复加载试验。研究了试件的破坏过程、破坏模式、承载力、变形性能等,重点分析了混凝土约束面板对试件抗震性能的影响。试验结果表明:带竖向加劲钢板墙试件的破坏始于钢板和加劲肋的屈曲,组合钢板墙试件的破坏始于钢板的屈曲和混凝土板产生裂纹;最终破坏时,带竖向加劲肋的钢板墙上形成稀疏的大尺寸交叉拉力带,而组合钢板墙则是在加劲肋与螺栓围成的小区格内形成"棱台"状交叉拉力带;相比于只带竖向加劲肋的钢板墙,组合钢板墙承载力更高,延性更好,滞回曲线相对饱满,耗能能力更强,抗侧刚度和承载力退化更缓慢。     

发生畸变屈曲的纵向加劲板的受压试验

采用厚4.0mm,名义屈服应力为235.0MPa的中厚钢板制作板件,并分别设置不同刚度的纵向加劲肋,对此纵向加劲板进行受压破坏试验。对发生畸变屈曲或局部与畸变相关屈曲的纵向加劲板的受压极限承载力和性能进行试验和理论研究,结果表明:临界屈曲模式主要取决于纵向加劲肋的刚度和母板的宽厚比。对于某些加劲板,局部屈曲和畸变屈曲之间的相互作用非常明显。畸变屈曲构件和局部与畸变相关屈曲构件展示了较大的后屈曲强度。研究纵向加劲板的的畸变屈曲强度曲线。采用直接强度法提出设计强度简化公式,用于考虑纵向加劲板的畸变屈曲及局部与畸变相关屈曲。将强度曲线与试验和有限元结果对比,验证了曲线的正确性。通过试验研究,得出有关纵向加劲板的屈曲性能的一些结论。     

箱板式钢结构住宅底部加强区组合钢板墙有限元分析和抗剪承载力计算式

为了建立箱板式钢结构住宅底部加强区组合钢板墙的抗剪承载力计算式,在前期试验研究的基础上,设计了16个模型试件,对影响组合钢板墙抗剪承载力的关键参数进行了有限元分析,探讨了钢板墙的高厚比、肋板刚度比等对组合钢板墙抗震性能的影响规律,分析了试件的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、承载力和刚度退化等。结果表明:墙板的高厚比越大,钢板越容易产生面外屈曲形成拉力带,滞回曲线捏缩越明显,屈服承载力和极限承载力越低。高厚比越小,组合钢板墙的抗侧刚度越大,但在受力后期,刚度退化速度较快。肋板刚度比对初始弹性刚度和滞回性能的影响不明显。基于分析结果,提出了组合钢板墙的合理破坏模式,并通过参数分析和回归分析,得到了组合钢板墙的抗剪承载力计算式。算例分析表明:所提计算式可用于计算组合钢板墙的抗剪承载力。     

槽钢加劲钢板剪力墙受力性能研究

竖向槽钢加劲钢板剪力墙由内嵌钢板、边缘构件和墙板两侧对称布置的竖向槽钢加劲肋组成。槽钢加劲肋具有较高的抗弯、抗扭刚度,可为墙板提供有效的面外约束和轴向支撑作用。利用有限元分析软件ABAQUS对槽钢加劲钢板墙进行屈曲分析和静力弹塑性分析,研究槽钢距边缘构件距离、钢板宽厚比、高厚比、肋板刚度比和柱刚度对钢板墙及边缘构件力学性能的影响。结果表明,槽钢加劲肋至边缘构件的距离主要影响钢板墙的平面外变形,对钢板墙屈曲应力和承载力的影响较小。槽钢加劲肋可以有效提高墙板的屈曲应力。随着宽厚比和高宽比的减小,结构的承载力和刚度均显著提高。增大肋板刚度比可提高钢板墙的初始刚度和屈曲应力,肋板刚度比应大于20。为避免边框柱变形过大或过早破坏,边框柱应具有足够的刚度,增大柱刚度可以提高钢板墙的初始刚度,减缓墙板刚度的退化。     

双层钢板混凝土组合剪力墙滞回性能研究

为研究双层钢板混凝土组合剪力墙的滞回性能,对4个剪跨比为2.5的组合剪力墙试件进行了拟静力加载试验;通过改变约束拉杆和加劲肋的间距,研究其在往复水平荷载作用下的破坏机理、滞回性能;选用地震分析软件OpenSees建立了双层钢板混凝土组合剪力墙的纤维模型,进行了低周反复荷载作用下的非线性分析。结果表明:该种剪力墙的破坏形态为墙底部截面钢板被压曲,核心混凝土被压碎的弯曲型破坏;在轴压比相同条件下,设置加劲肋试件的抗震性能优于设置约束拉杆的试件,且随着约束拉杆和加劲肋间距的减小,试件的变形能力增加,表现出较好的耗能能力;纤维模型计算得到的抗弯承载力、延性系数与试验值之间误差较小,纤维模型能较好地模拟剪力墙的抗震性能;随着轴压比的增大,剪力墙的极限承载力有所提高,而变形能力有明显的下降;随着混凝土强度的增加,剪力墙的承载力提高,变形能力减小;随着钢板厚度的增加,剪力墙的承载力和变形能力都明显增加。     

PBL加劲型矩形钢管混凝土轴压柱局部屈曲性能分析

为研究开孔钢板连接件（PBL）加劲肋对矩形钢管混凝土轴压柱局部屈曲性能的影响,用能量法推导钢管屈曲系数计算公式,引入PBL和加劲肋相对刚度计算式并分析二者对屈曲模式的相互作用关系,讨论了PBL加劲型钢管的极限屈曲模式及其极限屈曲系数、最大相对宽厚比限值。结果表明:PBL加劲肋可明显改善钢管局部稳定性,钢管屈曲系数k随着PBL加劲肋刚度增加而增大,直至达到极限屈曲系数42.68;PBL连接件可减小板件纵向屈曲的波长,而加劲肋的影响作用与之相反;设置PBL加劲肋后,钢管的最大相对宽厚比限值可达184,并且板件屈曲后强度随宽厚比的变化曲线下降趋势减缓,强度值随着PBL刚度增加而逐渐提高。     

开洞钢板剪力墙洞口加劲肋性能研究

采用ABAQUS软件对中部开洞、一侧开洞及两侧开洞的钢板剪力墙进行了数值分析。对不同开洞形式的钢板剪力墙进行了弹性屈曲分析和非线性滞回分析,研究了洞口加劲肋刚度、强度对开洞钢板剪力墙性能的影响。研究结果表明:增大加劲肋刚度,可提高开洞钢板剪力墙的弹性屈曲应力,当肋板刚度比超过所提出的下限时,加劲肋对开洞钢板剪力墙屈曲应力的提高幅度降低;宽高比较大时,加劲肋对开洞钢板剪力墙屈曲应力的提高更加显著,在相同的肋板刚度比条件下,宽厚比不同的开洞钢板剪力墙屈曲应力的提高幅度基本相同。建议中部开洞、一侧开洞及两侧开洞钢板剪力墙的肋板刚度比下限分别取30,15和25。滞回分析结果表明:肋板刚度比对开洞钢板剪力墙弹性刚度、承载力和耗能能力影响较小。加劲肋强度过低时,无法充分发挥钢板剪力墙屈曲后的拉力场作用。按所提出的强度验算公式设计的加劲肋,可为开洞钢板剪力墙拉力场提供可靠锚固,确保拉力场充分发展。     

钢板剪力墙结构竖向防屈曲简化设计方法

采用能量原理推导了设置竖向加劲肋钢板墙的弹性屈曲应力的简化计算公式,并根据理论公式进行了参数分析,研究了钢板高宽比、加劲肋数量、加劲肋与钢板刚度比以及加劲肋与钢板面积比等参数对钢板墙竖向屈曲荷载的影响。简化公式计算结果与有限元计算结果吻合良好。研究表明,在钢板墙高宽比确定的情况下,加劲肋与钢板的刚度比是影响加劲板竖向屈曲荷载的主要因素,加劲肋与钢板的面积比对加劲板屈曲荷载的影响较小,加劲肋端部与周边框架不连接的钢板墙优于加劲肋端部与周边框架连接的钢板墙。     

非均匀竖向压应力作用下钢板剪力墙的剪切屈曲

采用有限元软件ABAQUS 6.10对非均匀压应力、剪应力共同作用时非加劲和竖向加劲钢板剪力墙进行屈曲分析,研究了非均匀竖向压应力对非加劲钢板剪力墙临界屈曲剪应力的影响,得到了竖向加劲钢板剪力墙临界屈曲剪应力随加劲肋加劲系数的变化曲线及阈值刚度。结果表明,非加劲钢板剪力墙临界屈曲剪应力随着钢板剪力墙宽高比、高厚比和非均匀压应力剪应力比的增大而减小,随着竖向压应力非均匀系数的增大而增加|加劲肋阈值刚度随着竖向压应力非均匀系数、小区格宽高比、加劲肋数目和加劲肋抗扭抗弯刚度比的增大而减小。     

竖向闭口槽钢加劲钢板剪力墙在非均匀压剪作用下的屈曲性能

对竖向闭口槽钢加劲钢板剪力墙在非均匀压应力和剪应力共同作用下的屈曲性能进行了有限元分析,得到了竖向闭口槽钢加劲钢板剪力墙的临界屈曲剪应力随加劲肋加劲系数的变化曲线及阈值刚度,提出了剪应力和竖向压应力共同作用下加劲肋阈值刚度的计算公式。结果表明:加劲肋阈值刚度随着小区格宽高比、竖向压应力非均匀系数、加劲肋数目和加劲肋抗扭刚度与抗弯刚度比增大而减小;提高加劲肋抗扭刚度与抗弯刚度比能显著降低加劲肋阈值刚度;加劲肋阈值刚度公式计算结果与有限元分析结果吻合较好。     

侧边开洞 斜向槽钢加劲钢板剪力墙 结构抗震性能试验研究

为研究开洞形式及槽钢加劲肋对钢板剪力墙抗震性能的影响，对2个1/3缩尺的单跨双层侧边开洞-斜向槽钢加劲钢板剪力墙进行了低周往复荷载试验，得到了双侧开洞 交叉加劲钢板剪力墙和单侧开洞-多道斜向槽钢加劲钢板剪力墙的荷载-位移曲线、破坏特征、骨架曲线等，分析了两种钢板墙的承载能力、延性、退化特性以及耗能能力等性能。通过分析框架梁的受力情况，给出了考虑加劲肋作用的开洞处梁腹板最小厚度计算公式。试验结果表明，两种形式的槽钢加劲钢板剪力墙均有良好的抗震性能。双侧开洞 交叉加劲钢板剪力墙试件的滞回环饱满呈梭形；单侧开洞-多道斜向槽钢加劲钢板剪力墙试件在加载前期滞回曲线有“捏缩”现象，耗能梁段形成后“捏缩”现象消失。槽钢加劲肋能有效限制内填钢板的屈曲变形，加载过程中未发生扭转，避免加劲肋破坏导致加劲效果失效。双侧开洞 交叉加劲钢板剪力墙试件受槽钢加劲肋作用，中梁开洞处梁腹板承受剪力增大约30%。建议在开洞处梁腹板合理布置加劲肋，避免框架梁过早屈服影响整体结构性能的发挥。     

大宽厚比开缝组合钢板墙低周反复荷载试验研究

针对已有研究中开缝组合钢板墙开缝数量较多,使得墙板的抗侧刚度和承载力大大削弱的现象,对大宽厚比开缝组合钢板墙进行了试验研究。改进措施为采用预制混凝土板增加钢板的角部面外约束以防止墙板的整体屈曲。通过5个试件的反复荷载试验,研究大宽厚比开缝组合钢板墙的破坏模式、屈服承载力、极限承载力、延性、滞回性能以及耗能性能。试验结果表明,预制混凝土板角部设置约束装置可以有效避免试件的整体失稳,并改善大宽厚比开缝钢板墙的滞回性能。对大宽厚比开缝组合钢板墙试件进行的单调荷载和反复荷载作用下的有限元分析结果表明,单调荷载作用下的有限元分析结果明显低估试件的极限承载力,循环荷载作用下的骨架曲线与试验结果吻合较好,大宽厚比开缝组合钢板墙有明显的应变循环强化效应。相应地对大宽厚比开缝组合钢板墙极限承载力公式进行了改进。     

Experimental Study of Composite Steel Plate Shear Wall with Flush End-Plate Connection

This paper presents an investigation on the structural performance of steel plate shear wall (SPSW) with flush end-plate beam–column connections and infill precast reinforced concrete (precast RC) panels. Two single-span two-story SPSW specimens, including unstiffened SPSW (NBRP) and precast RC panel restrained SPSW (Con-BRP), are first tested, followed with a parametric study by finite element method. Precast RC cover panels are installed on both sides of the infill steel plate and are disconnected from steel frame. Test results indicate that the use of precast RC cover panels increases the load carrying and energy dissipation capacities of the SPSW structure, but decreases its ductility. It is also effective in reducing the inward flexural deformation of columns. Moreover, the stiffening effect of the infill steel plate on the beam–column connections remains, which is a result of the precast RC cover panel’s resistance to the local buckling and the tears of the infill steel plates. The influence of the gap size between the precast RC cover plate and frame members on the failure mode of the specimen Con-BRP is also investigated, based on which a maximum gap size is recommended. Conclusions are drawn that SPSW structure with flush end-plate beam–column connections and precast RC cover panels fully exploits the strength of infill steel plates and exhibits excellent structural performance.     

不同屈曲约束形式的钢板剪力墙往复剪切性能试验

为研究不同冷弯薄壁型钢屈曲约束形式的钢板剪力墙的往复剪切性能,剥离框架对钢板剪力墙结构抗侧力的贡献,单独对3个不同屈曲约束形式的钢板剪力墙结构试件和1个纯钢板剪力墙结构试件进行了拟静力试验研究,并通过试验与理论分析揭示了不同屈曲约束形式的钢板剪力墙在往复剪切作用下的力学性能与失效机理。结果表明:冷弯薄壁型钢对钢板剪力墙的面外变形具有较好的约束作用,显著提高了钢板剪力墙的耗能能力、延性和承载力; 竖向屈曲约束构造形式对钢板剪力墙的耗能能力提高效果最好,其次是水平约束形式,最差是45°斜向约束形式; 对于带45°斜向约束的试件而言,由于约束形式非轴向对称,其承载力在推、拉方向上表现出明显的差异,即在拉力带垂直于冷弯薄壁型钢约束时,其承载力更高。     

全加劲两侧开缝钢板剪力墙弹性屈曲研究

采用有限元方法对全加劲两侧开缝钢板剪力墙在面内水平荷载作用下的弹性屈曲临界荷载、屈曲模态进行了研究。对影响其弹性屈曲性能的参数进行了分析,包括两侧和中部加劲肋与墙板的刚度比、两侧和中部加劲肋宽厚比以及墙板高厚比和边长比。给出了全加劲两侧开缝钢板剪力墙加劲肋的弹性屈曲设计参考公式,为开缝钢板剪力墙的应用提供依据。     

Behavior of steel plate shear wall connected to frame beams only

This paper presents the study of steel plate shear walls which are connected to frame beams only. As the shear walls are not connected to frame columns, the premature failure overall buckling or local buckling of frame columns can be prevented. In fact, most of both structural design engineers and architects prefer this kind of steel plate shear walls because the dimension of their opening space is relatively flexible by using several steel plates with small span-to-height ratio placed parallel to each other. In this paper, two steel plate shear walls were fabricated and tested. The influence of stiffeners on the hysteretic behavior of this kind of member was studied. The experimental results showed that this kind of specimen had good ductility and energy dissipation capacity. The energy dissipation capacity of specimen with stiffeners was larger than that of the specimens without stiffeners. Meanwhile, the finite element method was applied to analyze the behavior of steel plate shear walls, whose results were validated by comparing with the corresponding experimental results. Analytical results showed that the free edges deformed with evident out-of-plane deformation and should be constrained by stiffeners to meet the design requirements. The energy dissipation capacity is much better for steel plate shear walls with lower height-to-thickness ratio and larger span-to-height ratio. At last, the skeleton curve of steel plate shear wall was proposed for calculating the elastic rigidity and load-carrying capacity.