鋼板剪力墻自復位結構體系的抗震分析

王琦，李啟才

（蘇州科技大學江蘇省結構工程重點實驗室，江蘇蘇州215011）

鋼板剪力墻自復位結構體系的抗震分析

王琦，李啟才

（蘇州科技大學江蘇省結構工程重點實驗室，江蘇蘇州215011）

鋼板剪力墻自復位結構是一種新型的抗震結構體系，它結合了鋼板剪力墻的強度、剛度及耗能性能，以及自復位節點的復位特性。為了研究鋼板剪力墻自復位結構體系的抗震性能，設計了三層三跨和六層三跨鋼板剪力墻自復位結構體系，中間跨為自復位結構，兩邊跨為鉸接鋼框架。利用有限元軟件0pensees驗證了自復位結構試驗，選取兩條地震波，調整地震波在中震、大震下的峰值加速度，利用軟件分析設計的結構在中震、大震作用下的響應。

鋼板剪力墻；自復位結構；地震響應

利用鋼板剪力墻耗能的自復位結構是在自復位功能結構[1]的基礎上加設鋼板剪力墻，它利用了鋼板剪力墻的強度、剛度和耗能性能能力以及自復位結構的復位性能。具有自復位功能結構（具有復位功能節點見圖1）是利用預應力鋼絞線，將梁柱壓緊，使節點具備足夠的抗彎剛度，同時預應力鋼絞線提供結構回復力，于地震結束后在預應力鋼絞線的作用下，結構可以復位。同時結構的塑性耗能主要集中在易于更換的鋼板剪力墻上，震后及時更換鋼板剪力墻即可。本文研究的鋼板剪力墻是和梁上下兩邊連接的鋼板剪力墻[2-3]，這樣鋼板剪力墻形成的拉力場就不會對柱子產生附加彎矩，減小了結構對柱子的要求。一層鋼板剪力墻自復位結構見圖2。

鋼板剪力墻自復位結構作為一種新型有效的結構，很多國內外學者對其進行了研究，Clayton等[4-6]對鋼板剪力墻自復位結構進行了足尺試驗研究，并在此基礎上利用有限元軟件進行了抗震性能分析，研究表明結構有很好的復位性能和良好的耗能能力。張磊[7]用有限元軟件模擬了三層的鋼板剪力墻自復位結構的抗震性能，見圖3，并分析了鋼板的厚度和屈服強度對結構抗震性能的影響。但是鋼板剪力墻在結構體系中應用的研究較少。

圖1 具有自復位功能的節點

圖2 一層鋼板剪力墻自復位結構

圖3 三層鋼板剪力墻自復位結構

該文主要研究了三層三跨鋼板剪力墻自復位結構體系（見圖4）和六層三跨鋼板剪力墻自復位結構體系（見圖5），中間跨為鋼板剪力墻自復位結構，兩邊跨是鉸接在中間跨的鋼框架。用有限元軟件OpenSees模擬驗證自復位結構，并分析鋼板剪力墻自復位結構體系在大震、中震下的抗震性能，分析結構各項性能是否符合目標要求。

圖4 三層三跨鋼板剪力墻自復位結構體系

圖5 六層三跨鋼板剪力墻自復位結構體系

1 有限元模擬驗證

對潘振華[8]所做自復位節點試驗進行模擬驗證，來證明OPENSEES軟件可以模擬自復位結構。框架梁長3.8 m，取柱兩反彎點的距離為3 m。梁、柱的截面尺寸分別為：HN500×300×14×28，HW500×500×20×20，鋼絞線的直徑為15.2 mm。梁、柱的材料屈服應力為440 MPa，極限應力575 MPa，E=200 000 MPa，采用雙折線隨動強化模型，強化段的強化模量為0.02E。鋼絞線屈服應力為1 860 MPa，彈性模量E=195 000 MPa，強化段模量為0.01E。

梁、柱采用非線性梁柱單元Nonlinear-Beam Column，這個單元可以在地震中用于動力分析并且可以考慮P-Δ效應。梁、柱的材料采用Q345鋼，選用材料庫里的等向硬化材料steel02模型。鋼板剪力墻簡化成雙向等效拉桿模型[9]，斜拉桿是具有相同傾角的只承受拉力的桿件。斜拉桿采用truss單元，材料本構關系為理想彈塑性間隙材料（Elastic-Perfectly Plastic Gap Material）。鋼絞線采用共旋桁架單元Corot Truss，材料本構用等向強化steel02模型，這種材料可以很好地施加預應力。梁、柱之間的接觸用彈簧來模擬，采用Corot Truss單元，材料采用彈性不受壓材料（Elastic-No Tension Material）。

試驗和模擬的滯回曲線，見圖6～7。實驗承載能力極限值為82 kN，模擬的極限承載能力值為84.5 kN，兩者相差3%，誤差在影響范圍以內。卸載時曲線回到零點，結構的殘余位移為0，說明自復位結構有很好的復位性能。隨著結構卸載，結構的位移回到零點，結構可以復位。說明有限元軟件OPENSEES可以很好地模擬自復位結構。

圖6 實驗滯回曲線

圖7 模擬滯回曲線

2 鋼板剪力墻自復位結構的抗震分析

設計了三層三跨鋼板剪力墻自復位結構和六層三跨自復位結構體系，該建筑的每層層高為3.3 m，每跨跨度為5.7 m，其中中間跨是鋼板剪力墻自復位結構，兩邊跨是鋼框架，梁柱節點是鉸接。本地區抗震設計方烈度為8度，設計地震基本加速度為0.3g，設計地震分組為一組，場地類別為Ⅱ類。設計的梁、柱材料均采用Q345B，截面為H型鋼，鋼板材料采用Q235B，鋼絞線的屈服應力為1 689 MPa，彈性模量E=1.95×105N/ mm2。設計的鋼板剪力墻參數見表1。

表1 鋼板剪力墻自復位結構設計參數

2.1 三層鋼板剪力墻結構體系抗震分析

文中分別模擬結構在大震和中震作用下的地震響應，根據地震波選取原理[10]選取ELcentro波和人工波進行模擬分析。由于結構處于8度抗震區，建筑抗震類別為乙級，根據《建筑抗震設計規范》[11]規定調整大震下地震加速度時程分析最大值為510 gal，中震為294 gal。結構在中震作用下，預應力鋼絞線保持彈性狀態，結構的層間位移角限值取1%，介于規范中大震和小震層間位移角之間。結構的殘余變形限制在0.2%時，就可以視為結構可以復位；在大震作用下，預應力鋼絞線保持彈性。為了防止結構的突然倒塌，結構的目標層間位移角取2%；

圖8與圖9分別為中震ELcentro波和Northridge波下結構的反應曲線。在中震下鋼絞線的最大拉力值分別為291 kN和297 kN，鋼絞線的拉力遠小于鋼絞線的屈服拉力763 kN，鋼絞線在中震作用下都是保持彈性狀態。設計的鋼絞線的初始拉力是300 kN，由于鋼絞線的拉力較大，梁在軸力作用下壓縮，最終造成鋼絞線預應力損失，但是誤差也是在可接受范圍內。地震波的加速度是隨機的，因此預應力鋼絞線并不是完全對稱分布。

圖8（b）和圖9（b）是結構在地震結束后各層殘余位移角-層數曲線。鋼板剪力墻自復位結構在中震作用下，結構的殘余位移角小于0.2%時，結構即可復位。圖8、圖9可以看出結構的最大殘余位移角分別為0.02%、0.022%，均小于0.2%的限值，設計的三層鋼板剪力墻自復位結構在中震ELcentro波和Northridge波下均可復位。

圖8（c）和圖9（c）為結構的頂點位移時程曲線，結構的頂點最大位移分別為30 mm和32 mm，其結構的頂點側移比為0.3%和0.32%，這些都滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》[12]規范的限值1/50。

圖8 中震ELcentro波下結構的反應曲線

圖9 中震Northridge波下結構的時程反應曲

圖10與圖11分別為大震ELcentro波和Northridge波下結構的反應曲線。圖10（a）和圖11（a）鋼絞線的拉力分別為302、360 kN，鋼絞線都保持彈性狀態，遠小于屈服拉力763 kN。結構的層間位移角0.22%、0.31%，均小于《建筑抗震設計規范》對多高層鋼結構的層間位移角的限值2%。圖10（b）和圖11（b）結構的最大層間殘余位移角分別為0.021%、0.02%，也都小于0.2%，說明設計的三層鋼板剪力墻自復位結構在大震作用下也是可以復位的。根據圖10（c）和圖11（c），結構最大側移比分別是0.32%和1%，均在1/50，符合規定。

圖10 大震ELcentro波下結構的時程反應曲線

圖11 大震Northridge波下結構的時程反應曲線

2.2 六層鋼板剪力墻結構體系抗震分析

圖12～圖15為六層鋼板剪力墻自復位結構體系在中震和大震作用下反應曲線。鋼絞線的拉力分別是281、283、292和288 kN，均小于鋼絞線的屈服拉力763 kN，鋼絞線是保持彈性狀態。六層結構的最大殘余層間位移角分別為0.22%、0.81%、0.018%和0.026%，都小于0.2%，結構都能復位。六層結構的最大頂點位移分別為30、27、51和30 mm，結構的高度為19 800 mm，結構的最大頂點側移比為0.15%、0.136%、0.258%和0.15%，均小于1/50的限值要求。

圖12 中震ELcentro波下結構的反應曲線

圖13 中震Northridge波下結構的時程反應曲線

圖14 大震ELcentro波下結構的時程反應曲線

圖15 大震Northridge波下結構的時程反應曲線

3 結論

（1）利用OpenSEES有限元軟件可以建立鋼板剪力墻自復位結構模型，并很好地模擬結構在地震波下的性能。

（2）三層鋼板剪力墻自復位結構體系在中震、大震下鋼絞線均保持彈性，結構的殘余位移角均在0.2%以內，結構最大頂點側移比小于1/50。

（3）六層鋼板剪力墻自復位結構體系在中震、大震下鋼絞線最大分別為281、283、292和288 kN，均保持彈性；結構的殘余位移角0.22%、0.81%、0.018%和0.026%，均在0.2%以內；結構最大頂點側移比小于1/50。

（4）鋼板剪力墻自復位結構體系的抗震性能較好，可以滿足性能目標。

[1]呂西林，陳云，毛苑君.結構抗震設計的新概念-可恢復功能結構[J].同濟大學學報，2011，39（7）：941-948.

[2]XUE M,LU L W.Interaction of infilled steel shear wall panels with surrounding frame members[C].Proceeding of Structural Research Council Annual Technical Session.Bethlehem,P A,USA,1994.

[3]XUE M,Lu L W.Monotonic and cyclic behavior of infilled steel shear panels[C].Proceeding of 17th Czech and Slovak International Conference on Steel Structures and Bridges,Bratislava,Slovakia,1994.

[4]CLAYTON P M,BERMAN J W,LOWES L N.Seismic design and performance of self-centering steel plate shear walls[J].Journal of Structural Engineering,2012,138（1）：22-30.

[5]CLAYTON P M,WINKLEY T B,Berman J W.Experimental investigation of self-centering steel plate shear walls[J].Journal of Structural,2012, 138（7）：952-960.

[6]Patricia M CLAYTON,Daniel M DOWDEN,Chao-Hsien LI,et al.Full-scale testing of self-centering steel plate shear walls[J].Front.Struct.Civ. Eng.,2016,10（3）：283-290.

[7]張磊.鋼板剪力墻自復位結構體系的抗震性能研究[D].蘇州：蘇州科技學院，2015.

[8]潘振華.具有自復位能力的鋼框架體系研究[D].北京：清華大學，2010.

[9]THORBURN L J,KULAK G L,MONTGOMERY C J.Analysis of steel plate shear walls[R].University of Alberta,Edmonton,Canada,1983.

[10]余岳.某L型高層框剪結構抗震性能分析[D].南寧：廣西大學,2013.

[11]中國建筑科學研究院.GB 50011-2010建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[12]中國建筑科學研究院.JGJ138-2010型鋼混凝土組合結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社，2010.

Seismic performance of self-centering structural system with infilled steel plate shear walls

WANG Qi，LI Qicai
（Jiangsu Key Laboratory of Structure Engineering,SUST,Suzhou 215011,China）

The self-centering steel plate shear wall（SC-SPSW）is a new seismic load-resisting system,which combines the strength,stiffness and energy consumption of the SPSW with the recentering capabilities of posttensioned（PT）beam-to-column connections.In order to study the seismic performance of self-centering structural system with infilled steel plate shear walls（SCSS-SPSW）,the paper designs the system of a three-layer-three span and six-layer-three span SCSS-SPSW with a middle span of self-centering structure and an inter-hinged steel frame on both sides.The finite element software 0pensees is used to verify the self-centering structure test, the two ground motions are selected to adjust the seismic ground motions peak value in medium and large earthquake,and the SCSS-SPSW earthquake response by using software analysis.

steel plate shear walls;self-centering structural system;earthquake response

TU391

A

1672-0679（2016）04-0048-06

（責任編輯：秦中悅）

2016－04-21

國家自然科學基金項目（51378326）；江蘇省結構工程重點實驗室開放課題（ZD1204）

王琦（1990-），男，安徽蒙城人，碩士研究生。

李啟才（1969-），男，博士，副教授，從事鋼結構的新型結構體系和抗震設計研究，E-mail：ustsgjg@163.com。