钢板剪力墙弹塑性分析

分析了钢板墙从弹性屈曲到拉力带全部屈服的受力全过程。在弹性屈曲阶段,引入了弹性嵌固系数以考虑框架约束的影响。在弹塑性阶段,考虑了拉力带倾角、塑性变形系数和屈服后阶段弹性模量折减等影响,用斜拉杆模型合理地模拟了拉力带的受力过程,推导了斜拉杆初始屈服应力、极限应力、钢板墙剪力和位移计算公式。分别计算了钢板和纯框架的单独作用,然后再考虑其组合作用,得到了钢板墙的弹塑性荷载-位移曲线,通过算例验证了公式的有效性。     

钢板剪力墙失效过程与钢板厚度效应

本文对不同高厚比钢板剪力墙失效破坏过程进行了数值模拟,结果表明钢板剪力墙受力失效过程,包含了钢板整体屈服、分散性局部屈曲、形成拉力带和框架柱出现塑性铰四个特征阶段。虽然降低钢板厚度能够减小拉力带对柱子刚度的要求,却同时也降低了同等层间位移下的钢板剪力墙中钢板的耗能能力。在相同层间位移下,厚钢板剪力墙中钢板耗能更多,其滞回曲线更为饱满。内嵌钢板对框架柱形成的拉压非均匀分布应力是导致柱屈服的关键原因。因此,寻求钢板与柱子刚度之间的优化设计是充分发挥钢板剪力墙结构优点的关键。     

钢板剪力墙钢板与框架相互作用分析

利用屈曲后性能的钢板剪力墙作为一种新型抗侧力构件,其边缘框架是保证钢板形成拉力带并充分发挥作用的基础,而形成拉力带的钢板又对边缘框架产生较大作用。通过对不同跨高比和厚度的钢板剪力墙进行静力推覆加载,分析钢板剪力墙受力全过程,研究在不同阶段钢板与框架之间的刚度、剪力分配规律和钢板与框架之间的相互影响。结果表明,可以按一定的位移控制来设计钢板剪力墙,使其按期望的失效路径破坏;在设防烈度下,通过控制结构层间位移角小于0.5%,可实现剪力墙仅钢板屈服耗能、而边缘框架仍处于弹性的屈服模式;在大震阶段,钢板剪力墙通过钢板耗散大部分能量,边缘框架辅助耗散部分能量。     

非加劲钢板剪力墙的受力机理研究

为研究非加劲钢板剪力墙的受力机理,以钢板的高厚比λ和跨高比η为参数变量,设计8个钢板剪力墙试件,并根据高厚比λ的不同,将其钢板分为薄板、中厚板以及厚板.在ABAQUS中运用板的大挠度弹塑性理论对钢板剪力墙进行单向静力荷载作用下的数值模拟,系统分析钢板剪力墙的受力全过程,研究高厚比λ和跨高比η对钢板剪力墙受力性能、钢板破坏模式的影响.结果表明,随着侧向位移的增大,薄钢板剪力墙和中厚钢板剪力墙均经历了钢板弹性屈曲、拉力带形成、钢板屈服、梁端塑性铰出现的过程,其钢板破坏模式均为受拉屈服破坏,而厚钢板剪力墙的破坏过程为先出现梁端屈服,再出现钢板屈服,其钢板破坏模式为剪切屈服破坏,高厚比λ对钢板剪力墙的破坏模式影响较大;当保持钢板的高厚比λ一致时,跨高比η改变对钢板破坏模式影响较小.研究成果可为非加劲钢板剪力墙在实际工程中的应用提供理论基础.     

蝴蝶形钢板墙抗震性能研究

为更加充分利用钢材屈服耗能,同时降低带缝钢板墙在开缝端部应力集中以及受力不利因素等引起的低周疲劳影响,提出一种新型蝴蝶形钢板墙作为耗能构件,并为整体结构提供一定的抗侧刚度。通过简化假定建立钢板墙初始水平刚度并利用Abaqus有限元软件验证了初始理论公式的合理性。以蝴蝶杆高厚比和蝴蝶杆宽厚比作为主要参数,进行了滞回性能的分析。研究结果表明:随着蝴蝴蝶杆高厚比的减小,承载力和弹性初始刚度都有所增加,钢板墙的滞回曲线趋向饱满,耗能性能逐渐增强;宽厚比减小时,承载力和弹性刚度都有不同程度的减小,等效黏滞阻尼比较大,耗能性能增加;当宽厚比为150/8时,钢板墙基本满足在2%弹塑性层间位移角限制前充分耗能,2%以后捏缩耗能,并且捏缩后承载力降低,有效减少对框架梁的作用,从而保护主体框架,此外,研究也表明初始缺陷幅值较小时,承载力所受的影响也较小。     

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。     

基于混凝土浇筑中模板斜拉杆受力分析

针对贵州省某大桥墩柱施工过程中,采用悬臂爬升钢木组合模板施工工艺,对钢木模板阳角处斜拉杆的受力变形进行分析,判断在施工过程中斜拉杆变形是否符合规范要求,并利用有限元软件对斜拉杆受力进行模拟计算。通过对混凝浇筑施工中斜拉杆的微应变变化量进行实时监测,整理数.据得出斜拉杆微应变变化曲.线。结果表明:采用D20普通Q235钢斜拉杆在混凝土有效压头附近变形最大,最大微应变变化量为21782με,对应最大拉应力为4572MPa,最大受力变形均在斜拉杆屈服强度允许范围内,可以保障施工结构安全。说明D20普通Q235钢斜拉杆在钢木模板施工中是可行的,为此类工程作参考。     

两边连接屈曲约束钢板剪力墙受力机理与等效支撑模型

采用理论分析和有限元方法,针对两边连接屈曲约束钢板剪力墙的受力机理和传力规律进行研究。提出了钢板墙边缘约束区的概念并确定了边缘约束区的宽度,分析了钢板墙的屈服形状、钢板墙内各部分应力流的分布规律和钢板墙与梁连接处的受力特点等。在此基础上提出了两边连接屈曲约束钢板剪力墙等效支撑模型,对不同尺寸、不同层数的框架 屈曲约束钢板剪力墙结构和框架 等效支撑结构在水平荷载作用下的力学性能进行分析,并对两种结构的荷载 位移曲线进行了对比。分析表明,所提出的等效支撑模型在结构刚度和承载力方面具有较好的准确性,无论是单调加载还是反复加载均能准确地模拟两边连接屈曲约束钢板剪力墙结构的受力行为。     

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。     

纯剪荷载作用下帽型冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板墙元的抗震性能试验研究

提出了一种帽型冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙结构抗侧力体系。为了研究该帽型冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙结构的抗震性能,剥离了钢板剪力墙结构抗侧力体系中梁柱框架刚接对体系抗侧力的贡献,从钢板剪力墙中提取出“墙元”,并保证其为纯剪受力状态,设计了5个帽型冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙墙元试件,对其进行往复剪切荷载下的拟静力试验。结果表明：帽型冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙结构承载能力稳定,位移延性系数达到7以上,极限位移角达0.03rad,塑性变形能力较强;帽型冷弯薄壁型钢可以阻断内嵌钢板斜向通长拉力带,使钢板约束覆盖区域处于平面剪切受力变形状态,从而提升结构承载力、刚度和耗能能力,充分发挥钢板的材料性能;外贴OSB装饰板材可以满足建筑功能的适用性,同时强化了整体结构的抗震性能。     

Seismic behavior of code designed steel plate shear walls

The AISC Seismic Design Provisions now include capacity design requirements for steel plate shear walls, which consist of thin web plates that infill frames of steel beams, denoted horizontal boundary elements (HBEs), and columns, denoted vertical boundary elements (VBEs). The thin unstiffened web plates are expected to buckle in shear at low load levels and develop tension field action, providing ductility and energy dissipation through tension yielding of the web plate. HBEs are designed for stiffness and strength requirements and are expected to anchor the tension field formation in the web plates. VBEs are designed for yielding of web plates and plastic hinge formation at the ends of the HBEs.This paper assesses the behavior of code designed SPSWs. A series of walls are designed and their behavior is evaluated using nonlinear response history analysis for ground motions representing different hazard levels. It is found that designs meeting current code requirements satisfy maximum interstory drift requirements considering design level earthquakes and have maximum interstory drifts of less than 5% for maximum considered earthquakes. Web plate ductility demands are found to be significantly larger for low rise walls than for high rise walls where higher modes of vibrations impact the response. The percentage of story shear resisted by the web plate relative to the boundary frame is found to be between 60% and 80% and is relatively independent of panel aspect ratio, wall height, or hazard level, but is affected by transitions in plate thickness. Maximum demands in VBEs in design level shaking are found to be considerably less than those found from capacity design for SPSWs with 9 or more stories.     

依据规范设计的钢板剪力墙的抗震性能

目前美国钢结构协会(AISC)抗震设计规范纳入了钢板剪力墙(SPSWs)的设计要求。钢板剪力墙由薄钢板中夹着被称为水平边界单元(HBEs)的钢梁和被称为竖直边界单元(VBEs)的钢柱组成。无加劲薄钢板在较低剪力作用下屈曲并发展变形,通过屈服变形达到延性和耗能的目的。HBEs的作用是加劲和提高整体强度,并将屈服局限于薄钢板内。VBEs的作用是促进梁端塑性铰的形成。研究依据规范设计的钢板剪力墙的性能,设计了一系列钢板剪力墙试件,采用不同震级的地面震动反应谱的非线性时程分析对其进行性能研究。研究发现,依据现行规范设计的试件能满足各种地震烈度下最大层间位移的要求,并且在最高地震烈度下最大层间位移比小于5%。由于高阶振型对反应的影响,低层钢板剪力墙的延性要求比高层钢板剪力墙要高。由钢板承担的楼层剪力与由边界框架承担的楼层剪力之比为60%～80%,此比值与板的长宽比和地震烈度无关,而与板的厚度有关。9层或以上钢板剪力墙在低烈度地震下对VBEs的需求比规范计算方法要小很多。     

任意厚度非加劲钢板剪力墙与防屈曲钢板剪力墙的通用拉杆模型

钢板剪力墙在墙板屈曲后仍具有一定的抗压能力,板厚越大,抗压能力越强,对结构整体性能的影响也越大,现有的简化模型尚不能很好地考虑该效应。为此,首先分析了计入压应力的钢板墙的受力状态,进而推导了考虑墙板抗压能力的钢板剪力墙的刚度、承载力和屈服位移的计算式,并据此提出了一种通用拉杆模型。该模型仅通过调整经典多拉杆模型中拉杆的截面积以及屈服强度便可有效考虑墙板抗压能力的影响,应用简便。分析表明,所提出的通用拉杆模型具有与壳单元模型相似的精度,广泛适用于各种几何条件下的非加劲钢板剪力墙以及防屈曲钢板剪力墙的弹塑性分析。此外,目前对钢板剪力墙薄厚程度的划分尚缺乏定量依据,文中根据墙板抗压作用大小的不同,将钢板剪力墙划分为薄、中厚、厚三类,并给出了统一的刚度、承载力和屈服位移计算式,可供工程设计参考。     

薄钢板剪力墙结构水平反复荷载试验研究

给出了薄剪力墙板拉力带对周边框架梁、柱产生的作用力计算公式,以此设计了试件的原型结构。薄墙板采用建筑结构胶和高强度摩擦型螺栓固定在焊于框架梁柱的角钢连接板上。对三层薄钢板剪力墙结构进行水平反复荷载作用下的试验研究,结果表明:墙板先屈曲,后屈服,屈曲后能继续承受荷载,并形成多条非常明显的斜拉力带;二层墙板最先出现屈服,底层墙板屈服时间最晚;试件破坏时,钢框架柱脚及梁柱连接部位形成了塑性铰,柱脚翼缘严重扭曲,腹板向外鼓曲。墙板发生很大的平面外凹凸变形,并有多个裂口,且在靠近角部梁端处出现撕裂。     

自复位方钢管混凝土框架-薄钢板剪力墙结构的水平边缘构件受力分析

基于薄钢板剪力墙在目标位移下充分屈服并形成拉力带,对绕梁腹板销轴转动的自复位方钢管混凝土框架-薄钢板剪力墙结构的水平边缘构件（中梁和顶梁）进行受力分析。分别对水平边缘构件在钢绞线预应力和薄钢板剪力墙拉力带作用下的受力进行分析,推导了钢绞线在目标位移下的拉伸预应力计算公式;基于薄钢板剪力墙极限破坏形态,研究了薄钢板剪力墙拉力带产生的水平边缘构件端部的轴力和剪力;提出了水平边缘构件的弯矩、剪力及轴力计算公式,明确了水平边缘构件的内力分布。结果表明:水平边缘构件内力公式计算值与有限元分析值吻合较好,可为水平边缘构件的设计提供参考。     

Experimental investigation on cyclic behavior of perforated steel plate shear walls

In recent decades, steel plate shear walls have come to be considered as a convenient system for resisting lateral loads due to earthquakes and wind, especially in tall buildings, because of their ductile and energy absorption behaviors. The existence of openings affects the seismic behavior and performance of steel plate shear walls. In the present research, the effects of opening dimensions as well as slenderness factors of plates on the seismic behavior of steel plate shear walls are studied experimentally. Eight 1:6 scaled test specimens, with two plate thicknesses and four different circular opening ratios at the center of the panel, have been manufactured and were tested under the effects of cyclic hysteresis loading at the thin-walled structures research laboratory of Urmia University, Urmia, Iran. The hole was put in the center of the panel because this is the most detrimental location in view of the panel tension field action. The obtained results signify a stable and desired behavior of steel plate shear walls for large displacements of up to 6% drift. The creation of openings decreases the initial stiffness and strength of the system, and increasing the opening diameter will intensify this matter. The obtained ductility of specimens shows the stable functioning of a system in the nonlinear range. Although the stable cyclic behavior of specimens in the nonlinear range causes mostly a dissipation of energy during the loading of samples, but existence of an opening at the center of the panel causes a noticeable decrease in energy absorption of the system.     

Research on mechanics and deformation performance of plate-reinforced composite coupling beamswith small span-to-depth ratio

根据7个小跨高比钢板 混凝土组合连梁试件的应变量测数据，研究了纵筋、箍筋和钢板在不同转角位移下的应变分布，定量分析了不同工作阶段连梁中钢板承担的剪力，并采用ABAQUS软件对组合连梁试件的抗震性能进行了非线性有限元分析。结果表明：钢板承担的剪力占连梁总剪力的百分比随连梁弦转角的增大而逐渐增大；小跨高比组合连梁剪切变形和总侧移量并不成固定比例增长；随着加载位移的增加，连梁剪切变形所占比例逐渐增大，各试件达到屈服荷载以后，剪切变形已超过总变形的50%以上。采用混凝土应力-裂缝宽度关系来考虑混凝土受拉软化性能，能较好地进行小跨高比组合连梁的弹塑性有限元分析。钢板沿梁跨度方向全跨轴向受拉，拉力分布呈M形分布，随着钢板厚度的增大，M形的峰值点拉力逐渐增大，在梁跨内钢板拉力较小，最小仅约为其峰值拉力的20%；跨高比、截面配钢率、纵筋配筋率、混凝土抗压强度和楼板作用是影响组合连梁抗震性能的主要因素。     

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。     

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。