使用低降伏(屈服)强度阻尼装置之耐震结构设计

于抗弯矩构架之钢骨大楼内设置抗水平力效率高的低降伏(屈服)强度剪力钢板消能装置与挫屈束制(屈曲约束)斜撑构材,除可分担地震侧向力外,还可有效降低结构体之层间侧向位移角;因其具有极佳的韧性消能能力,可消散大部份的地震能量,进而保护抗弯矩构架的梁柱杆件。本文针对钢骨结构内含低降伏强度剪力钢板消能装置与挫屈束制斜撑,以地上十二层、地下三层之钢骨大楼为例,分别说明以低降伏强度剪力钢板消能装置及挫屈束制斜撑各承担大约20％～40％的楼层剪力后,结构在地震历时作用下之各项反应,另外,亦进行以了解在大地震作用下结构构材的能量分布及塑铰形成的情形。     

含挫屈束制消能斜撑构架效应之接合板耐震设计与试验分析

本研究主要探讨挫屈束制消能斜撑构架中梁柱效应及斜撑轴力效应对接合板耐震行为影响,利用一层楼挫屈束制消能斜撑构架试验及非线性有限元素分析,研究接合板在斜撑构架下的受力行为。本研究考虑接合板在同时承受构架效应(梁及柱剪力效应)及斜撑轴力下的影响,提出等效支撑概念计算接合板在受构架开合(梁及柱剪力)下的力量,如此将接合板的受力分为由构架及斜撑分别提供,再由有限元素分析观察的梁与接合板及柱与接合板界面应力分布,计算接合板端部应力值,以设计接合板及加劲板尺寸。藉由试验及有限元素分析所量测的梁、柱及斜撑力量,配合本研究提出的理论计算接合板在受梁柱开合效应下及斜撑力量下的受力模式,比对试验与分析下接合板端部的应力极值,验证此理论准确性,并建议设计准则,以确保接合板在达到设计层间侧位移角时无破坏产生。     

双管式挫屈束制(屈曲约束)支撑之耐震行为与应用

挫屈束制(屈曲约束)支撑一般是由十字型或一字型钢板构成之核心单元加上钢管混凝土构成之束制(约束)单元所组成。由于单核心断面之挫屈束制支撑在与构架接合时每一端需使用八片续接板及两套的螺栓，造成接合部分较长且易发生挫屈(屈曲)，为了改善此种挫屈束制支撑与接合，相关研究已发展出以双T型核心配双钢管或双钢板核心配双钢管而组成之双钢管型挫屈束制支撑构件，并已成功地在台大完成一系列之试验，本研究进一步针对大尺寸之单层挫屈束制支撑构架进行试验。研究目的包括：(1)探讨支撑具不同核心长度比例构架之试验与解析行为；(2)研究挫屈束制支撑核心应变与楼层侧位移角之关系；(3)提供含挫屈束制支撑构架之分析与设计建议。由i组V型双钢板双钢管挫屈束制支撑构架之试验显示，支撑核心之极限应变可利用楼层的最大侧位移角需求，以简单的几何关系及支撑核心长度与工作点间长度之比值计算而得，试验结果亦显示，在构架产生最大侧位移角时支撑之核心拉应变会大于相邻支撑之核心压应变，显示两相邻支撑之轴拉力与轴压力在试体巾有互相平衡之趋势，而不会发生最大轴压力显著大于最大轴拉力的现象。     

轻钢泡沫混凝土组合墙抗震性能研究

为研究不同斜撑布置形式对型钢泡沫混凝土组合剪力墙抗震性能的影响，通过低周反复试验研究轻钢与泡沫混凝土组合墙体中斜撑布置形式对结构的影响，设计了X型、双X型和菱型的斜撑形式，制作了3个足尺寸轻钢泡沫混凝土剪力墙试件，并根据试验现象与结果分析了不同构件的滞回曲线、骨架曲线和耗能曲线等，得出结果表明，承载力方面，X型与双X型斜撑构件比菱型斜撑构件分别提高了7.6%、18.4%；延性方面，X型斜撑构件比菱型和双X型斜撑构件分别提高了6.0%、15.1%，为轻钢与泡沫混凝土组合墙体研究提供参考。     

脱层材料与槽接式挫屈束制支撑的性能研究

挫屈束制支撑耐震性能优劣与否与脱层材料性能有密切关系,首先提出了一种估算脱层不完全因子的方法,利用4组分别使用不同脱层材料的挫屈束制支撑进行构件试验;研究结果表明以黏性橡胶作为脱层材料具有可靠性、经济性与优良的施工性。特别介绍了地震工程研究中心近期所研发的槽接式挫屈束制支撑,并通过3组实尺寸构件试验验证了其耐震性能;测试构件包含一组长度为12.5m,最大抗压强度超过16800kN,核心消能段应变量达3.5%的构件。试验结果表明,新研发的槽接式挫屈束制支撑经济效益极高,迟滞消能行为良好稳定,具有优良的耐震性能,各组试体于试验停止前所累积的总非线性变形量皆超过400倍斜撑屈曲位移量;研究亦显示,非线性结构分析软件PISA3D可准确预测其受力与变形反应。     

钢侧撑韧性斜撑构材之行为与应用(Ⅱ)

韧性斜撑构材由主受力组件与侧撑组件组成,主受力组件承担轴力而侧撑组件则在防止主受力组件受压挫屈,由于主受力组件不挫屈,因此能充分发挥材料之强度与韧性,成为一高强度且具高消能容量之斜撑构材.以韧性斜撑构材作为同心斜撑构架中之斜撑构材,此同心斜撑构架即称之为韧性同心斜撑构架,此种构架具有稳定之迟滞行为与高韧性之特性,为一优良之耐震结构系统.本文叙述韧性斜撑构材与韧性同心斜撑构架之力学与耐震行为,并根据其力学与耐震行为提出建议之设计方法.本文为第二部分.     

波形钢板剪力墙抗震性能试验研究

为研究波形钢板剪力墙在水平荷载作用下的抗侧力性能,完成了水平波形和竖向波形的钢板剪力墙模型的低周往复加载试验,并采用ABAQUS有限元软件对波形钢板剪力墙模型进行了模拟分析。试验结果表明：波形钢板剪力墙结构具有较高的侧向承载力、较强的抗剪屈曲能力和稳定的滞回性能;竖向波形钢板剪力墙在加载过程中发生了沿墙体对角线的X形剪切破坏;水平波形钢板剪力墙在加载过程中未出现波形钢板的屈曲破坏。因此,水平波形钢板剪力墙的极限荷载比竖向波形钢板剪力墙的更高、延性更好、滞回曲线更加饱满。在水平受剪时,竖向波形钢板剪力墙易产生拉压效应,水平波形钢板剪力墙易发生H型钢柱屈曲。波形钢板与边缘约束H型钢柱之间的焊缝未出现开裂,焊缝连接保证结构的整体性能。对比有限元分析结果与试验得到的数据,水平波形钢板剪力墙的荷载、位移比竖向波形钢板剪力墙的更接近试验值。采用有限元法对不同波角和钢板厚度的水平波形钢板剪力墙的抗侧性能进行了分析,结果表明：当钢板比较薄的时候,容易发生波形钢板的剪切破坏;当钢板较厚的时候,容易发生边缘约束H型钢柱的过早屈曲,对结构的承载力和延性不利;当波形钢板的波角为45°时,波形钢板剪力墙的承载力以及延性性能最佳。波角过大或过小时,剪力墙承载力均有所降低。因此,水平波形钢板剪力墙宜采用45°波角与厚度适中的钢板。     

双钢板混凝土组合剪力墙斜截面承载力计算方法

分析24片以剪切破坏为主的双钢板混凝土组合剪力墙的低周反复加载试验结果表明,剪切破坏以腹部混凝土斜压杆压碎或表面钢板拉断为破坏特征,无轴压力作用时,墙体腹部混凝土形成45°交叉斜裂缝,表面钢板发生45°剪切屈曲;轴压力可提高墙体的斜截面承载力;当剪跨比小于0.85时,随剪跨比减小,墙体受剪承载力增大,当剪跨比大于0.85时,剪跨比的变化对墙体受剪承载力影响不大.在此基础上,提出了该类组合剪力墙斜截面承载力计算的交叉斜杆模型,即当墙体达到极限状态时,钢板可视为45°分布式斜拉杆,混凝土可视为45°分布式斜压杆,拉压杆相互垂直.进而推导了组合剪力墙斜截面承载力的计算公式,并通过拟合试验结果,考虑轴压力对组合剪力墙斜截面承载力的影响.公式计算结果与试验结果吻合良好.     

双层斜开槽钢板剪力墙等效杆系模型研究

双层斜开槽钢板剪力墙由两层开有斜槽的薄钢板组成,两层钢板上斜槽的方向相反,通过橡胶层粘接在一起,具有相同的平面外变形.在水平荷载作用下,双层斜开槽剪力墙中,一层钢板上的斜向板带受拉,另一层钢板上的斜向板带受压.通过受拉斜向板带对受压斜向板带提供平面外支撑,减小受压斜向板带的平面外屈曲变形,形成自防屈曲机制.提出了用于双层斜开槽钢板剪力墙承载力和抗侧刚度计算的等效杆系模型,采用位于斜向板带中心线的等效杆件来代替斜向板带;等效杆件的截面宽度和截面高度与所替代的斜向板带的宽度和厚度相同.通过等效杆系模型和壳单元有限元模型,研究了剪力墙高宽比、高厚比、斜向板带宽度等对双层斜开槽钢板剪力墙受力性能的影响.等效杆系模型和壳单元模型分析结果的对比表明,等效杆系模型具有较好的适用性.     

钢造双核心自复位斜撑发展与耐震试验:应用复合纤维材料棒为预力构件

首次发展双核心自复位斜撑,藉由两组核心受压构件与两组拉力构件,使斜撑的变形量在拉力构件相同应变下大幅增加(或在相同斜撑变形量下,斜撑的拉力构件应变量减少一半),首先说明双核心自复位斜撑力学理论,并设计及测试三组5350mm长的双核心自复位斜撑,斜撑使用的拉力构件分别为直径22mm、29mm的玻璃纤维棒与直径13mm的碳纤维棒。试验结果显示,使用预力的双核心自复位斜撑除了有稳定的能量消释及自复位能力外,耐震性能也能符合AISC(2010)规范针对挫屈束制斜撑要求的最小层间位移角2%前不破坏的原则,并可完成在1.5%层间侧位移角下15圈反复载重无破坏发生;其中两组试体更可再进一步地完成2.5%层间位移角试验而不破坏,最大斜撑轴力约1400 kN。     

Sub-structural pseudo-dynamic performance of two full-scale two-story steel plate shear walls

This paper describes two eight-meter tall and four-meter wide, two-story steel plate shear walls (SPSWs) that were fabricated and tested using sub-structural pseudo-dynamic testing procedures in the National Center for Research on Earthquake Engineering (NCREE). In the Phase I tests, all wall panels were restrained using horizontal tube restrainers on both sides in order to minimize both the out-of-plane displacement and the buckling sound. In the Phase II tests, damaged steel plates were removed and replaced with new plates without restrainers. Both specimens were tested under pseudo-dynamic loads using several scaled ground accelerations. This paper presents primarily the design of the specimen, experimental results, and simplified analytical modeling techniques for Phase I specimen. Results of the Phase I tests show that (1) the SPSW specimen sustained three earthquakes without significant wall fracture or overall strength degradation, (2) the horizontal restrainers were effective in improving the serviceability of the SPSW, (3) the responses of the SPSW can be satisfactorily predicted using the strip model and the tension-only material property implemented in the PISA3D computer program, (4) the energy-dissipating capacity of the SPSW specimen was found to be substantially reduced when it was subjected to the same ground motions again, and (5) if the boundary elements are properly proportioned using the capacity design principle, the equivalent brace model is effective for the response analysis of SPSW buildings subjected to strong ground motions.     

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。     

Shear‐displacement diagram of steel plate shear walls with precompression from adjacent frame columns

An analytical model of the unstiffened steel plate shear wall (SPSW) considering precompression from the adjacent frame columns is proposed and experimentally verified. First, the distribution and transferring of the gravity loads between boundary columns and the infill steel plate was proposed. Second, the shear‐displacement diagram of the SPSW under compression–shear interaction was obtained, and to further consider the global bending deformation, the shear‐displacement diagram of the SPSW under compression–shear–bending interaction was obtained. Third, the load‐carrying capacities and deformations at the state of elastic buckling of the infill steel plate, the yield of Zones I and III, the yield of Zone II, and the yield of the boundary frame were presented. Finally, cyclic loading test on four scaled one story single bay unstiffened SPSWs under different axial forces at the top of the columns was carried out to verify the proposed analytical model. Shear‐displacement relationship, shear capacity, and envelope curves of the specimens were compared with the predicted values. Results indicate that the proposed analytical model can reasonably predict the decrease of the shear load capacity and stiffness of the SPSWs due to the existence of the axial load at the boundary columns.     

三类钢板剪力墙结构试验研究

防屈曲钢板剪力墙已被试验证明是优秀的抗侧耗能构件,但墙板嵌入受弯框架时,二者之间的相互作用尚需进一步研究。为此进行了两层单跨钢框架内嵌防屈曲钢板剪力墙的试验研究,作为比较同时进行了两层单跨钢框架内嵌非加劲钢板剪力墙与两层单跨钢框架内嵌组合钢板剪力墙结构的试验研究。在试验的基础上,对试件进行有限元分析,比较了三类钢板剪力墙之间的性能差异。研究表明,防屈曲钢板剪力墙能够消除无加劲钢板剪力墙在水平荷载下产生的巨大屈曲噪声,具有较大的初始刚度与承载力,拥有良好的延性与滞回耗能性能,而且由于其屈服先于屈曲发生,对周边框架产生的附加弯矩很小;组合钢板剪力墙的性能与防屈曲钢板剪力墙相似,但由于后期外包的混凝土发生脱离,内嵌钢板剪力墙会产生拉力带,不仅对框架产生不利影响,而且自身承载力、刚度与耗能能力均有不同程度的退化。图32表1参12     

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。     

Behavior of steel plate shear walls with pre-compression from adjacent frame columns

This paper investigates the behavior of steel plate shear walls (SPSWs) with pre-compression from adjacent frame columns which is produced in the construction process. Firstly, some parameters used in analytical finite element models, such as the stiffness of frame beams and columns and the magnitude of the loads are discussed. Then, numbers of numerical examples are analyzed and show that the influence of pre-compression varies with the dimension of SPSWs. Also, the distribution and transferring of axial forces between frame columns and SPSWs during loading are discussed. Finally, a reduction coefficient of shear-carrying capacity of SPSW due to pre-compression is proposed.     

多层多跨钢板剪力墙水平极限承载力分析

通过相关文献的钢板剪力墙试验数据验证了使用等效拉杆模型并利用SAP2000有限元软件进行Pushover分析计算多层钢板剪力墙水平极限承载力方法的正确性。利用试验验证的有限元分析方法分别研究了4层单跨钢板剪力墙和4层3跨钢框架-钢板剪力墙双重抗侧力体系在倒三角型分布的水平荷载作用下剪力墙板高厚比的变化对结构水平极限承载力的影响,并与相应纯框架的结构性能进行了比较,建议剪力墙板的高厚比取为250~300,这为钢板剪力墙的设计提供了理论依据。     

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。     

Influences of the gravity loads on the cyclic performance of unstiffened steel plate shear wall

This paper is aimed at investigating the influences of gravity loads on the overall performance of the steel plate shear wall (SPSW) under the monotonic as well as cyclic loadings. A nonlinear finite‐element model for SPSWs was developed and verified using monotonic tests carried out by Behbahanifard and Drivers et al. and the three large‐scale three story cyclic test specimens (namely SC2T, SC4T and SC6T) carried out by Park et al.; very good predictions of the ultimate strengths, hysteresis properties and failure modes were obtained. Based on these three specimens tested by Park et al., nine more numerical SPSW specimens with the axial stresses of the boundary columns equal to 100 MPa, 200 MPa and 300 MPa were analyzed. The strength and tension strip angles under lateral monotonic loadings and the hysteresis properties and energy dissipation under lateral cyclic loadings were analyzed. Finally, the strength prediction method of the SPSWs with the flexure‐dominate behavior originally proposed by Park et al. was modified to account for the tension‐field action of the infill plates, and better prediction of the shear strength of the SPSW was obtained. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

钢板剪力墙的发展与研究现状

介绍了一种新型的高层抗侧力结构体系———钢板剪力墙 ,总结了其在工程上的应用以及在大震中的良好表现。对不同形式的钢板剪力墙 ,即非加劲钢板墙、加劲钢板墙、开竖缝钢板墙、组合钢板墙及低屈服点钢板墙的构造特点及工作性能分别加以说明 ,并介绍它们在实际工程中的应用。概括了加劲和非加劲钢板墙在单向静力荷载和往复荷载下的受力特性及国外相关的设计理论和规范。