帶縫鋼板剪力墻中部加勁性能有限元分析

張 飛

(西安建筑科技大學 土木工程學院,陜西 西安 710055)

帶縫鋼板剪力墻(Steel Plate Shear Wall with Slits,簡稱SPWS)由日本九州大學的Toko Hitaka和Chiaki Mastsui教授提出[1]。如圖1所示,是指用激光在鋼板上按一定的間距開設寬度約為10mm的豎縫、并利用縫間小柱變形耗能的一種新型抗側力構件。大量的試驗研究和數值分析表明,它具有可調的初始剛度、較高的承載力和良好的延性、滯回性能。1999年,日本的西日本技術開發公司率先將其應用到九電工福崗分店和九電工熊本分店的辦公大樓中[2];在國內,上海寶鋼在兩批足尺試驗的基礎上,已將其應用在四川都江堰災后重建重點項目——幸福家園·逸苑鋼結構住宅中(圖2)。

圖1 帶縫鋼板剪力墻

圖2 工程實例

在工程應用中,為了方便門、窗洞口的布置和減少因附加彎矩對柱子造成的不利影響,SPWS通常只有上下兩端與梁相連,而兩側與框架柱分開布置(圖2)。當兩側通過合理設置加勁后[2]剪力墻類似于四邊固結板,但由于開縫的影響,中部剛度相對于四周邊較弱,受力時仍將發生一定程度的面外凸曲,對其外覆保溫、隔熱和防水等材料將產生不利的影響;且由于面外變形大、扭曲嚴重,對震后拆換也造成不便;此外,由于鋼板墻中部凸曲失穩,不能完全保證縫間小柱端部均“先屈服后屈曲”進而造成耗能損失。為此借鑒非開縫鋼板剪力墻常用的加勁形式,即對剪力墻中部進行“十字”加勁,把剪力墻分割成幾個較小的區格、減小鋼板墻的外圍尺寸,以起到調節SPWS剛度分布、減少面外變形、提高延性和耗能性能的效果。本文將對這一加勁的影響和設計方法加以研究。

1 有限元模型及中部加勁的評價指標

1.1 有限元模型

模型取自某工程實例,構造及尺寸參數如圖3所示,其中“十字”加勁的縱、橫部分加勁截面相同,且通高(長)布置,變量為截面尺寸。模型的單元類型為SHELL181單元[3];鋼材為理想彈塑性材料,屈服強度fy=235MPa;約束SPWS底部六個自由度、頂部考慮到樓板的作用只約束面外變形Uz和面外轉角Rotx、耦合節點的Ux和Uy的自由度;取第一模態為初始缺陷波形,幅值為H/450;在頂部施加均勻水平線荷載P[4]。

圖3 SPWS構造及尺寸參數

1.2 中部加勁及其評價指標

中部加勁主要作用是限制剪力墻的面外凸曲,相當于受壓的外伸翼緣其寬厚比 b/t需滿足《鋼結構設計規范》(GB50017—2003)關于受壓翼緣的要求,即:

其次,評價加勁對墻板約束的一個重要指標是加勁與墻板的面外剛度比η,計算公式如下[5]:

式中:Is為單個加勁肋板繞自身中面的慣性矩;D為開縫鋼板的面外彎曲剛度,由于開縫寬度不大,可采用相應未開縫鋼板面外剛度代替;t為剪力墻板厚度。

為便于對比分析,建了4組共16個模型,剪力墻厚度t分別取6mm、8mm、10mm和12mm,面外剛度比η分別取0、1、5和10,加勁具體尺寸及其對應的 η值如表1所示。

表1 中部加勁截面尺寸及對應η值

2 中部加勁對SPWS的影響

2.1 對初始剛度、極限承載力和延性性能的影響

分別對4組16個模型進行單調加載和滯回分析,圖4、圖5分別為SPWS的荷載—位移曲線和滯回骨架曲線,由圖可知:

(1)極限承載力:中部加勁對SPWS極限承載力的影響較小,提高幅度約為3%～8%,具體數值見表2所示。

表2 η對極限承載力的影響(kN)

圖4 η對SPWS荷載—位移曲線的影響(單調加載)

圖5 η對SPWS骨架曲線的影響(滯回加載)

(2)初始剛度:中部加勁對SPWS初始剛度的影響較小,提高幅度為5%左右,具體數值見表3所示。

(3)延性:對延性影響較大,如圖4所示,隨著η值的增大,SPWS荷載—位移曲線趨于平緩,表明延性越好,具體數值見表4所示;但是當η增大到一定程度時(η＞5),延性對η不敏感,且隨著剪力墻板厚度t的增大,η的影響越小。

表3 η對SPWS初始剛度的影響

表4 η對延性性能的影響

2.2 對SPWS滯回性能的影響

圖6為4組模型在 η=0(無加勁)和 η=10時的滯回曲線,可知設置中部加勁后,滯回曲線趨于飽滿,SPWS相應的耗能也得到提高。經分析,原因在于中部加勁后,限制了剪力墻面外位移,使得縫間小柱“先屈服后屈曲”,縫端能夠形成塑性鉸。

2.3 對SPWS面外位移的影響

圖7反映了面外彎曲剛度比η對SPWS面外位移Uz的影響,可知:加勁能有效限制面外凸曲,且隨著η的增大,約束效果越好;但當η＞5時,增大η甚至導致面外位移增加,原因在于加勁約束過強,整板屈曲得到限制而縫間小柱凸曲增大,綜合前文分析建議取 η=5。

圖6 η對SPWS滯回曲線的影響

圖7 η對SPWS面外位移的影響

2.4 對SPWS屈曲模態的影響

如圖8所示,通過在剪力墻中部設置 “十字”加勁,把剪力墻分割成幾個較小的區格,相當于減小了鋼板墻的外圍尺寸、調節了剛度分布,使得屈曲模式由整板凸曲變為縫間小柱獨立彎扭屈曲,這無疑也是提高其耗能等其他相關物理指標的重要原因。

另外,試驗及有限元模擬均表明,縫間小柱的屈曲存在明顯的非均勻性,即每排柱的左右兩側第一、二根小柱要遠早于其它小柱失穩(圖 9),且出現在加載初期,即在小震、風荷載和施工荷載等正常使用情況下邊緣小柱會有一定程度的面外凸曲,將對其外覆保溫、隔熱和防水等材料產生不利的影響需加以防止。經分析,原因在于傾覆彎矩的作用致使上下邊界對兩側小柱存在拉、壓效應,并且這種拉、壓效應存在高度非線性,左右兩側大約1～2個柱狀部范圍內遠大于中部區域[2](圖10);加勁后,由于小柱變化均勻(圖8),且面外位移大大減少,可以避免這種不利影響。

圖8 加勁對SPWS屈曲模式的影響

圖9 邊緣小柱提前屈曲

圖10 豎向應力的高度非線性分布

3 結 論

(1)中部“十字”加勁對帶縫鋼板剪力墻(SPWS)初始剛度和極限承載力的影響較小,提高幅度為5%左右。

(2)加勁能顯著提高SPWS延性性能。彎曲剛度比η越大,延性越好;但當η＞5時,延性對 η不敏感;且隨著剪力墻厚度 t的增大,η的影響越小,因此建議,t≥10mm,η=5。

(3)加勁大大減少SPWS的面外位移,減少幅度甚至高達 90%(圖 7,t=10、η=5時)

(4)加勁對SPWS的耗能性能有一定程度的提高。

(5)加勁改變了SPWS的屈曲模式,使得縫間小柱變形較為均勻,減少了邊緣小柱提前屈曲的不利影響。

[1]Toko Hitaka,Chiaki Matsui.Experimental study on steel shear wall with slits[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,2003,129(5):586-594.

[2]陳勇豪.開縫鋼板剪力墻試驗研究及理論分析[D].天津:天津大學,2008.

[3]溫沛剛.帶豎縫鋼板剪力墻理論分析與試驗研究[D].廣州:華南理工大學,2005.

[4]陳勇豪,蔣路.加勁開縫鋼板剪力墻抗剪靜力性能分析[J].工業建筑,2008,(增刊):1338-1347.

[5]曹志亮.帶縫鋼板剪力墻穩定分析[D].武漢:武漢理工大學,2005.