新型双钢板混凝土组合剪力墙抗震性能有限元分析研究

针对栓肋混合拉接的新型双钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能进行了有限元分析。该剪力墙面层钢板间通过肋板及栓钉连接,中间填充混凝土。基于ABAQUS有限元分析软件建立了该剪力墙的精细化有限元模型。详细研究了钢板厚度与是否布置抗剪栓钉对该剪力墙在水平低周往复荷载作用下的滞回性能的影响。结果表明:新型双钢板混凝土组合剪力墙滞回曲线饱满,没有捏缩现象发生,整体构件抗震性能良好,具有较好的延性。钢板厚度的增加使截面含钢量提高,承载力和刚度明显提升,耗能能力增强;布置抗剪栓钉提高了试件加载后期的强度,延缓了试件在破坏阶段承载力下降过程的出现,提高了延性。     

波形钢板剪力墙滞回性能有限元分析

高耗能钢板剪力墙,其竖向设置梯形波形钢板作为剪力墙的腹板,在主要承载水平力的同时可以承载竖向荷载,两侧边缘构件为矩形钢管混凝土柱,波形板沿高度设置水平加劲肋。利用有限元软件ABAQUS对其进行推覆及滞回性能研究。研究结果表明加劲波形钢板剪力墙具有较大的抗侧弹性刚度,优良的延性性能、抗侧力性能和滞回性能。分析加劲肋刚度及数量、波形钢板屈服强度及厚度等不同参数的影响规律,为波形钢板剪力墙提供设计依据。     

波折钢板剪力墙滞回性能与内嵌墙板优化选型

相比普通平钢板墙，梯形波折钢板剪力墙在合理设计下具有更优越的滞回性能，其中内嵌波折墙板的优化选型是抗侧力体系的设计关键。为此，通过低周往复加载试验研究了梯形波折钢板剪力墙的抗侧受力变形过程及破坏形态，并验证了有限元方法的可行性。为了得到典型波折墙板的抗侧机制影响因素，研究了墙板屈服点、高(宽)厚比、波长、波形及波折角度等对内嵌墙板滞回性能的影响，在数值算例基础上，提出了墙板的滞回优化选型表及设计建议。试验研究发现，梯形波折钢板墙试件在内嵌墙板屈曲后其水平荷载仍可继续增加，具有良好延性变形能力。数值分析结果表明：当波折墙板的几何尺寸设计不当时，表现出不稳定的屈曲后承载能力、较差的延性和耗能能力，应在初步选型设计中予以避免；由于往复加载下的累积面外残余变形，波折墙板在往复加载下的承载力和延性显著低于单向推覆下的；降低钢材屈服点，选用最优波长和临界波形比，合适的波折方向以及增加波折角度，能够有效提高往复加载下的抗侧承载能力。提出了滞回性能优化选型建议，能够实现波折墙板面内剪切屈服的抗侧机制，使内嵌波折墙板达到良好的抗侧承载力、延性和耗能能力。     

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。     

波形钢板剪力墙内嵌钢板与墙趾可更换阻尼器刚度匹配关系研究

为了研究内嵌钢板与墙趾可更换阻尼器的刚度匹配关系对波形钢板剪力墙抗震性能的影响,设计了1个带阻尼器的钢板剪力墙试件,针对更换阻尼器前后的试件进行了两次拟静力加载。试验结果表明:阻尼器腹板厚度过大使内嵌钢板先于阻尼器腹板发生变形,导致剪力墙试件耗能能力不能充分发挥;降低阻尼器腹板厚度,可以提高剪力墙的耗能能力,但其承载力下降。证明内嵌钢板与阻尼器的刚度匹配关系对剪力墙的承载能力、耗能能力和延性等抗震性能有关键影响。为了探究两者的合理匹配关系,通过ABAQUS有限元软件建立32个模型进行数值模拟,通过改变阻尼器腹板厚度、内嵌钢板的波纹肋方向和钢板厚度来改变阻尼器与内嵌钢板的匹配刚度,对比数值分析结果和试验结果得出:有限元分析结果和试验结果吻合度较高,波纹肋沿水平方向使试件承载力下降较大;波纹肋沿竖直方向,内嵌钢板厚度和阻尼器腹板厚度分别为5,6 mm时,试件承载力较高、延性较好,抗震性能较好。     

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。     

装配式交叉密肋钢板剪力墙参数影响分析

提出装配式交叉密肋钢板剪力墙结构,利用有限元分析方法建立纵横密肋钢板剪力墙试验有限元模型,验证建模方法的有效性及可靠性; 建立交叉密肋钢板剪力墙有限元模型,选取内嵌钢板高厚比、密肋钢板网格尺寸2个参数进行变参分析,对比各系列试件的滞回曲线、黏滞阻尼系数、骨架曲线及刚度退化情况,分析内嵌钢板墙几何参数对交叉密肋钢板剪力墙滞回性能的影响,并给出两参数的合理取值范围。结果表明:内嵌钢板高厚比λ≥500时,试件耗能能力、侧向承载能力及延性等性能随内嵌钢板高厚比的减小而显著提升,当λ<500时,上述性能提升幅度不明显,内嵌钢板高厚比λ建议取值500～600; 交叉密肋网格尺寸对试件滞回性能影响显著,试件各项性能随交叉密肋网格尺寸的减小而提升,且提升幅度与网格尺寸减小幅度呈正相关,交叉密肋网格肋板条数建议取值小于等于5×5。     

波形钢板阻尼器的理论分析及数值模拟

设计了一种新型波形钢板阻尼器,在简述其构造特点及耗能机理的基础上,用有限元分析软件ABAQUS对阻尼器进行了数值模拟,研究阻尼器的耗能、变形能力、延性性能,以及阻尼器的波形腹板和波形翼缘板的厚度、横截面几何尺寸对阻尼器的承载力、变形能力、延性性能、耗能能力的影响,对比分析阻尼器的滞回曲线、骨架曲线、延性系数以及等效黏滞阻尼比等参数。分析结果表明:波形钢板阻尼器的初始刚度高、屈服位移小,且具有良好的滞回耗能能力和变形能力;随着阻尼器波形腹板和波形翼缘板的厚度的增加,其承载力、变形能力以及延性性能提高显著;波形腹板横截面尺寸的增加也可适当提高其承载力、变形能力和延性性能。     

模块化集装箱建筑波纹钢板剪力墙抗震性能试验研究

为研究模块化集装箱建筑波纹钢板剪力墙抗震性能,根据模块化建筑建造方式设计加载方案,完成了6个足尺波纹钢板剪力墙试件的拟静力试验。试件参数包括波纹板厚度、长度、波纹型式和是否设置竖缝,通过试验研究其抗侧机理、滞回性能、抗侧刚度、延性及耗能能力等抗震性能。结果表明:增加波纹板厚度和长度,均可有效提高试件抗侧刚度和承载能力;波峰高36 mm较波峰高20.5 mm的波纹板抗侧刚度和屈曲荷载分别增大48.9%和110%,但试件延性有所降低;设置竖缝可使试件破坏模式由整体屈曲转变为剪切屈服,使试件平均能量耗散系数提高12.8%～43.6%,但设置竖缝使试件初始刚度降低48.6%～69.7%。采用CECS 291:2011《波纹腹板钢结构技术规程》中相关规定可以有效预测波纹钢板剪力墙的受剪承载力。     

内填钢板剪力墙中心支撑钢框架的抗震性能研究

为研究内填钢板剪力墙的中心支撑钢框架的抗震性能,利用有限元数值模拟方法分析了在低周往复荷载作用下内填板高厚比对滞回耗能、能量耗散系数和墙板中心点平面外最大位移的影响,并给出了板平面外的位移滞回曲线,通过骨架曲线进一步分析了高厚比对水平承栽力、抗侧刚度和延性的影响。结果表明：内填钢板剪力墙的中心支撑钢框架具有良好的水平承栽力和耗能性能,建议内填板的高厚比取为300。     

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。     

超薄加劲钢板剪力墙受剪性能试验研究及数值分析

对于超薄加劲钢板剪力墙,由于钢板超薄,采用传统焊接工艺将导致严重的焊接变形,故需要采用改进焊接工艺,即将钢板墙在加劲肋处断开,进行弯折组合后焊接并形成加劲肋。为研究采用改进焊接工艺完成的超薄加劲钢板剪力墙的受剪性能,进行了足尺试件的受剪性能试验,研究了钢板墙的受剪破坏形态、滞回特性、承载能力及耗能能力等,验证了在竖向加劲肋位置采用的改进连接构造及焊缝工艺满足受剪承载力要求,并对不同钢柱截面、不同墙宽高比对钢板墙受剪性能的影响进行了对比分析。结果表明：采用改进工艺的钢板剪力墙满足受剪承载力要求且具有稳定的耗能能力,随着钢柱截面积增大,钢板墙的侧移刚度、峰值荷载均有所增加,相应的极限位移、耗能能力有所下降;随着墙宽高比减小,钢板墙的侧移刚度、屈服荷载、峰值荷载均相应降低,相应的极限位移、耗能能力有所提高。采用通用有限元分析软件ANSYS对超薄加劲钢板剪力墙的受剪性能试验进行了数值模拟,有限元结果与试验结果总体吻合良好,有限元分析可以很好地模拟超薄加劲钢板剪力墙的全受力过程和破坏模式。     

钢板焊接连接的带水平接缝装配式RC剪力墙抗震性能试验研究

为了研究采用钢板焊接连接的带水平接缝预制装配式钢筋混凝土剪力墙的抗震性能,设计了4个装配式钢筋混凝土剪力墙足尺试件并进行低周往复水平荷载试验,研究参数包括连接钢板厚度、侧向钢板设置和轴压比。结果表明：各试件均为压弯破坏,水平承载力在186~288kN之间,极限位移在25.74~29.37mm之间,滞回曲线为饱满的弓形,延性和耗能能力较好,刚度退化较慢;在连接钢板满足强度要求前提下,增大连接钢板厚度、增加侧向钢板对剪力墙的延性、刚度、承载能力和耗能能力影响较小;提高轴压比可以明显提高装配式剪力墙的刚度和承载能力,但会降低其耗能能力。采用ABAQUS有限元软件对装配式剪力墙抗震性能进行分析,所建立的有限元模型可以较好地模拟装配式剪力墙的受力性能。通过对比采用规范公式计算的承载力与试验承载力,表明可以采用JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中的公式计算文中装配式剪力墙的承载力,并给出了连接钢板的计算方法。     

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。     

Experimental study and numerical simulation on steel plate shear walls with non-uniform spacing slits

Numerous experimental and finite element studies have shown that steel plate shear walls with slits have several beneficial characteristics, such as good ductility and excellent energy dissipation capacity, which make them a feasible lateral load resisting and energy dissipation system for high-rise buildings in high seismic regions. The width of the flexural links between slits has a significant effect on the mechanical behavior and hysteretic performance of steel plate shear walls with slits. This paper presented two kinds of steel plate shear walls with non-uniform spacing slits (SPWNS) and investigated their performance under low-cycle loading based on tests and finite element software. The study mainly focused on the ultimate bearing capacity, the lateral stiffness, the energy dissipation capacity and the ductility of SPWNS. The results from numerical analysis and test study were compared with each other. The ultimate bearing capacity and the lateral stiffness of traditional steel plate shear walls with uniform spacing slits (SPWUS) were similar to that of SPWNS. In contrast, the ductility and the energy dissipation capacity of SPWUS were much higher.

     

水平加劲钢板剪力墙承载性能试验研究

加劲钢板剪力墙结构是一种适合工业化生产的新型抗侧力构件。为考察水平加劲钢板剪力墙的受力性能,分别对两榀1/3水平加劲模型试件进行推覆和低周反复荷载试验,研究水平加劲钢板剪力墙的变形性能,分析结构滞回性能、刚度退化、延性和耗能能力等。研究结果表明:水平加劲钢板剪力墙的抗侧刚度较高、耗能能力好、延性系数大于3、承载力退化缓慢。钢板剪力墙水平加劲肋门槛刚度的确定应基于钢板剪力墙弹塑性分析。     

Seismic performance of corrugated steel plate concrete composite shear walls

In this paper, composite shear walls with different encased steel plates (flat, horizontal corrugated, and vertical corrugated) were tested and simulated by Abaqus to investigate the seismic behavior of corrugated steel plate concrete composite shear walls (SPCSWs). The failure characteristics, deformation and energy dissipation capacity, and stiffness and bearing capacity of the structures under low‐frequency cyclic load were analyzed, and indexes of the seismic performance were obtained. The formulas of the shear‐bearing capacity of steel plate concrete composite shear walls are suggested, and the shear‐sharing ratio of each member is obtained. According to the obtained results, corrugated steel plates can bond with concrete well, and the bearing capacity of the vertical corrugated SPCSW are higher than that of the horizontal corrugated SPCSW. Compared with flat SPCSW, corrugated SPCSW has higher initial stiffness and lateral stiffness, better ductility and energy dissipation ability, and the degradation of bearing capacity and stiffness is slower. The shear‐sharing ratio of a steel plate is larger than that of reinforced concrete in the flat SPCSW and the vertical corrugated SPCSW, the shear force shared by steel plate and reinforced concrete in horizontal corrugated SPCSW is basically the same.     

Seismic Behavior Investigation of the Corrugated Steel Shear Walls Considering Variations of Corrugation Geometrical Characteristics

The corrugated steel plate shear walls have recently been proposed to address the seismic issues associated with simple steel plate shear walls; however, stiffness, strength, and ductility of the corrugated shear walls are significantly affected by varying the corrugation geometry under seismic loading. The present study investigates steel shear walls’ models with corrugated or simple infill plates subjected to monotonic and cyclic loads. The performance of the corrugated steel plate is evaluated and then compared to that of the simple steel plates by evaluating the damping ratios and energy dissipation capability. The effect of corrugation profile angle, the existence of an opening, and the corrugation subpanel length are numerically investigated after validation of the finite element modeling methodology. The results demonstrate that incorporating corrugated plates would lead to better seismic damping ratios, specifically in the case of opening existence inside of the infill plate. Specifically, the corrugation angle of 30° decreases the ultimate strength, while increasing the initial stiffness and ductility. In addition, the subpanel length of 100 mm is found to be able to improve the overall performance of shear wall by providing each subpanel appropriate support for the adjacent subpanel, leading to a sufficient buckling resistance performance.     

Experimental study on seismic behavior of double-skin corrugated plates and concrete composite shear wall

为研究钢板类型、墙体连接件、轴压比以及剪跨比对双波纹钢板混凝土组合剪力墙抗震性能的影响，设计并完成了15个双钢板混凝土组合剪力墙（13个波纹钢板试件、2个平钢板试件）的拟静力试验，观察了试件的破坏过程，获取了应变分布数据，分析了各变化参数对双钢板混凝土组合剪力墙抗震性能指标的影响规律。试验结果表明：与横向波纹双钢板混凝土组合剪力墙相比，竖向波纹双钢板混凝土组合剪力墙的承载力更高，承载力及刚度退化更为缓慢，延性更好；在承载力接近的情况下，双波纹钢板混凝土组合剪力墙的延性与耗能均显著优于平钢板的；设置连接件导致双钢板混凝土组合剪力墙的初始刚度降低，使其破坏阶段的承载力退化减缓，且小剪跨比时设置连接件可有效提升双钢板混凝土组合剪力墙的承载力和延性，防止其发生面外破坏；试验中增大轴压比可显著提升双钢板混凝土组合剪力墙的承载力、初始刚度和耗能能力，但双钢板混凝土组合剪力墙的承载力及刚度退化速率增快，延性变差；增大剪跨比将显著降低双钢板混凝土组合剪力墙的承载力和初始刚度，对延性和耗能能力影响并不显著；采用全截面塑性理论进行双波纹钢板混凝土组合剪力墙正截面承载力计算，试验结果与计算值吻合良好。