楊雨青，牟在根

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不同形式的槽鋼加勁鋼板剪力墻滯回性能研究

楊雨青，牟在根

(北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

鋼板剪力墻是一種具有良好的延性、抗側(cè)剛度和耗能能力的新型抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，非常適用于高烈度地區(qū)建筑，通常采用加勁的方法以改善鋼板墻的性能．為了對比不同槽鋼加勁形式、框-板連接形式對鋼板剪力墻滯回性能的影響，建立了非線性有限元模型進行分析，以預(yù)測加勁鋼板剪力墻的抗震性能和破壞行為．通過建立11個雙層單跨的加勁鋼板剪力墻模型，包括豎向加勁、斜向加勁、單側(cè)開洞、兩邊連接等情況，對其承載能力、耗能能力、退化特性、延性和破壞特征等問題進行了對比分析．結(jié)果表明，加勁肋能有效改善鋼板剪力墻的滯回曲線“捏縮”現(xiàn)象，不同程度地提高鋼板剪力墻的承載能力和抗側(cè)剛度，其中斜向布置加勁肋能明顯地提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度和承載能力，并在墻板屈曲后維持較高的剛度；而豎向加勁形式對結(jié)構(gòu)的剛度和承載力提高較小，墻板受力更加均勻．兩邊連接形式的鋼板剪力墻能有效避免對框架柱的附加彎矩，并可很好地與加勁鋼板協(xié)同工作，結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性和耗能能力．當(dāng)墻板跨高比較大時，采用小區(qū)格的交叉加勁形式有更好的效果，對角加勁形式在屈曲后對框架柱有較大的附加作用，因此設(shè)計時應(yīng)增大柱截面或考慮進一步減小板厚，避免框架柱過早發(fā)生局部屈曲進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力下降．

鋼板剪力墻；滯回性能；槽鋼加勁肋；耗能能力；退化特性；有限元法

鋼板剪力墻(steel plate shear wall，SPSW)是一種新型抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，有良好的延性，易于與鋼框架匹配，形成“鋼框架-鋼板剪力墻”雙重抗側(cè)力體系．早期對鋼板屈曲后性能認識不足，鋼板墻厚度設(shè)計較厚，經(jīng)濟性較差，未得到工程師的青睞．1983年Thorburn等[1]發(fā)現(xiàn)薄鋼板屈曲后形成拉力帶，具有更高的抗側(cè)力性能，隨后薄鋼板剪力墻的屈曲后性能引起了學(xué)者的關(guān)注．經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)外采用鋼板剪力墻作為抗側(cè)力體系的建筑越來越多，如洛杉磯活力酒店[2]、天津津塔[3]、中國尊[4]等．鋼板剪力墻的使用為建筑提供了可靠的穩(wěn)定性和抗震性能，并且提高了建筑的使用面積、減小了工程造價和縮短了施工?周期．

薄鋼板容易在較小側(cè)向力作用下發(fā)生屈曲，形成拉力帶以繼續(xù)為結(jié)構(gòu)提供承載能力，但在往復(fù)荷載作用下，拉力帶隨結(jié)構(gòu)水平位移變化而改變方向時，伴有較大的鼓曲聲響，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“零剛度”甚至“負剛度”，滯回曲線出現(xiàn)明顯的“捏縮”現(xiàn)象．通常采用加勁肋的形式以改善薄鋼板易屈曲的問題，常用的加勁形式有十字加勁、對角加勁、縱橫密肋加勁等形式[5].郭彥林和陳國棟等[6-7]研究結(jié)果表明，對角加勁形式不僅能提高結(jié)構(gòu)彈性屈曲荷載，延緩鋼板發(fā)生面外變形，并且能在屈曲后起到增大拉力帶的效果，提高結(jié)構(gòu)承載能力，是一種高效的加勁形式．在一些加勁鋼板剪力墻的試驗研究中發(fā)現(xiàn)[8-9]，采用單板加勁的鋼板剪力墻在屈曲后對加勁肋產(chǎn)生較大的作用，導(dǎo)致加勁肋自身扭曲、破壞，嚴重影響了其加勁效果，甚至失效．為此有學(xué)者建議采用閉口形式的槽鋼作為加勁肋，以增強加勁肋自身的強度和性能．而對槽鋼加勁鋼板剪力墻的研究也僅限于豎向加勁形式[10]及其受剪受壓彈性屈曲[11-12]，還有很多研究空白之處．

目前的研究成果沒有系統(tǒng)地對不同加勁形式的鋼板剪力墻滯回性能進行對比分析，本文采用ABAQUS有限元軟件，對11種不同槽鋼加勁形式、框-板連接形式的鋼板剪力墻滯回性能進行分析，對比不同槽鋼加勁肋布置形式及框-板連接形式對鋼板剪力墻的承載能力、抗側(cè)剛度、滯回性能、延性、退化特性和耗能能力等關(guān)鍵力學(xué)性能和抗震性能的影響，為實際工程提供參考．

1 ?模型建立與驗證

1.1 有限元驗證

由于鋼材在單調(diào)荷載和往復(fù)荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)有很大差別，Shi等[13]對我國常用鋼材的循環(huán)本構(gòu)模型進行了相關(guān)的試驗研究，在Chaboche鋼材本構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了在往復(fù)荷載作用下發(fā)生循環(huán)強化、屈曲、累積損傷退化等現(xiàn)象的鋼材非線性混合強化本構(gòu)模型，包括了隨動強化和各向同性強化，如圖1所示，具體參數(shù)定義詳見文獻[13]．王萌等[14]在此基礎(chǔ)上擬合了可用于有限元軟件ABAQUS模擬鋼板剪力墻的關(guān)鍵材料參數(shù)(如表1所示)，并驗證了模型中采用的單元類型和邊界條件的合理性，并對常見形式的鋼板剪力墻進行了系統(tǒng)的對比分析[15]．

圖1 ?鋼材非線性混合強化本構(gòu)模型

表1 ?ABAQUS模型材料參數(shù)

Tab.1? Material parameters of ABAQUS models

本文在有限元軟件ABAQUS中建立鋼板剪力墻模型，梁、柱、內(nèi)填鋼板和加勁肋均采用S4R四節(jié)點縮減積分殼單元模擬，梁柱連接、內(nèi)填板和框架連接及加勁肋與內(nèi)填板等接觸均采用綁定(TIE)連接模擬全焊接，并忽略魚尾板和殘余應(yīng)力的影響．鋼材的彈性模量為206000N/mm2．選取合適的網(wǎng)格進行劃分，本文模型網(wǎng)格尺寸取50mm以保證較高計算精度和較少的計算時長．考慮內(nèi)填鋼板的初始缺陷影響(以鋼板的1階屈曲模態(tài)作為分布模式，最大幾何缺陷幅值取/1000施加于結(jié)構(gòu))．約束結(jié)構(gòu)底部的3個平動和3個轉(zhuǎn)動自由度，并約束框架柱在頂梁處的平面外位移防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生剛體位移．循環(huán)加載采用ABAQUS /Explicit[16]顯式動力模塊進行分析，輸入鋼材密度為7.8×10-9t/mm3，每個分析步的加載速率取0.5，采用自動的全局穩(wěn)定增量步長估計，其余為默認設(shè)置，以保證整個加載過程中慣性力的影響很小，從而得到準確高效的準靜態(tài)解．單調(diào)加載則采用ABAQUS/Standard靜力通用(static general)進行分析，鋼材本構(gòu)模型采用雙折線模型，強化階段切線模量為0.02．

以文獻[17]中非加勁鋼板剪力墻SPSW-H2和文獻[18]中交叉加勁鋼板剪力墻SPSPW-HS2試件進行驗證，材料屬性按試驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選取，利用混合本構(gòu)模型，并輸入材料的循環(huán)硬化屬性，具體參數(shù)按表1選?。畬Ρ冉Y(jié)果如圖2和圖3所示，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗滯回曲線基本吻合，并且能有效預(yù)測結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)．

圖2 ?文獻[17]SPSW-H2試件和文獻[18]SPSW-HS2試件的有限元與試驗結(jié)果的比較

1.2 不同槽鋼加勁形式鋼板剪力墻模型設(shè)計

模型為雙層單跨鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，模型縮尺比為1∶3，考慮實際工程中大跨高比的情況，選取跨高比為2，考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)符合“強框架，弱墻板”的設(shè)計原則，框架柱、梁采用Q345鋼，內(nèi)填鋼板、槽鋼加勁肋為Q235鋼．鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的基本尺寸如圖3所示．根據(jù)《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》[19]，邊緣柱的截面慣性矩應(yīng)符合

式中：為柱截面慣性矩；為柱截面最小慣性矩；為剪切力分配系數(shù)；為內(nèi)填鋼板厚度；為梁跨，按框架柱軸線距離計算；為柱高，按框架梁軸線距離計算．

表2? 不同加勁形式的鋼板剪力墻

Tab.2 ?SPSWs with different stiffening forms

圖4? 不同形式的槽鋼加勁鋼板剪力墻

對考慮初始缺陷的模型進行加載，加載分為豎向荷載加載和水平荷載加載：為模擬實際使用中受到的上部荷載作用，首先在兩個框架柱頂分別施加350kN軸力(軸壓比為0.2)，分兩步進行加載，并且保持不變．為方便對模型進行對比，水平荷載通過位移控制進行加載，以依次增大的層間位移角為位移幅值進行循環(huán)加載，每級循環(huán)2次，共循環(huán)12次，最大加載幅值為60mm，超過《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的彈塑性層間位移角1/50(50mm)，加載制度如圖5所示．

圖5 ?循環(huán)加載制度

2?不同槽鋼加勁形式的鋼板剪力墻的滯回性能分析

2.1?滯回性能對比分析

由于鋼材在循環(huán)荷載作用下發(fā)生循環(huán)硬化和損傷積累，與單調(diào)荷載作用下有很大區(qū)別，并且在循環(huán)加載過程中，鋼板屈曲后產(chǎn)生的拉力帶方向不斷改變，框架柱受拉力帶作用產(chǎn)生局部屈曲等原因，使得結(jié)構(gòu)隨循環(huán)次數(shù)的增加而出現(xiàn)承載力下降的情況．各模型的整體滯回曲線如圖6所示．

從圖6中可以看出，對于四邊連接的鋼板剪力墻(圖6(a)～(e))，非加勁鋼板剪力墻在屈曲后，形成的拉力帶改變方向時，結(jié)構(gòu)的承載力和剛度都有明顯下降，滯回曲線有明顯的“捏縮”，呈反S型．通過采用加勁的形式能有效地改善鋼板剪力墻的“捏縮”現(xiàn)象．相比于豎向加勁鋼板剪力墻(SPSW-VS)，斜向加勁(對角加勁DS、多道斜向加勁MOS)的滯回曲線呈現(xiàn)為飽滿的梭形，承載力更高，耗能能力更強，表明斜向加勁相對于豎向加勁效果更佳，能在內(nèi)填板屈曲后起到增大拉力帶的效果，提高結(jié)構(gòu)承載力，但需要注意的是斜向加勁形式起到增大拉力帶作用的同時，對框架柱的附加彎矩也隨之增大，因此隨著循環(huán)次數(shù)和水平位移的增加，框架柱會發(fā)生更嚴重局部屈曲，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)后期的承載力有所下降．對于單側(cè)開洞的鋼板剪力墻(圖6(f)～(h))，相比于四邊連接承載能力有所降低，方鋼管加勁肋的設(shè)置為開洞邊提供了一定的約束作用，有利于拉力帶的形成和發(fā)展．其中多道斜加勁形式(MOSRO)后期承載力下降較對角加勁形式(DSRO)小，基本能保持穩(wěn)定．對于兩邊連接的鋼板剪力墻(圖6(i)～(k))，由于兩側(cè)都失去了框架柱的約束作用，并且內(nèi)填板面積減小，結(jié)構(gòu)的承載能力較低，對角加勁(DSRO2)和豎向加勁(VSRO2)同樣能明顯改善鋼板剪力墻的“捏縮”現(xiàn)象，對角加勁鋼板剪力墻的滯回曲線更加飽滿．

2.2?骨架曲線與延性對比分析

骨架曲線能反映結(jié)構(gòu)在彈性階段、彈塑性階段和塑性流動階段的屈服強度、極限承載力和延性等．第一次循環(huán)峰值的包絡(luò)線所形成的骨架曲線如圖7所示，不同加勁形式對鋼板剪力墻的承載能力、退化特性等性能有著不同程度的影響．

從圖7中可以看出，各結(jié)構(gòu)的極限位移角均超過《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》中1/50(即0.02rad)，1層的極限位移角都大于0.02rad，表現(xiàn)出良好的變形能力，而2層層間位移角相對較小，在0.02rad左右．從圖7(a)～(c)可看出，3種斜加勁形式(DS、DS2和MOS)的鋼板墻2層在加載后期，隨層間位移角增大承載力下降較為嚴重，這是由于斜加勁形式對框架柱的附加作用，并且在傾覆力矩作用下，1層的框架柱角部過早發(fā)生局部屈曲，影響了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力，結(jié)構(gòu)承載能力出現(xiàn)下降．而豎向加勁(VS)形式對框架柱產(chǎn)生的附加作用相對較小，骨架曲線與標準形式(STA)基本一致．對于單側(cè)開洞形式(圖7(d)～(f))，結(jié)構(gòu)的承載力明顯降低，但通過布置斜向加勁肋，能彌補開洞造成的承載力損失，達到未開洞時的承載能力．從圖7(g)～(i)中能看出，兩側(cè)的開洞使得結(jié)構(gòu)承載力降低的程度更大，但兩邊連接形式(RO2)不與框架柱連接，使得框架柱所受的附加彎矩和傾覆力矩的組合效應(yīng)大大減弱，結(jié)構(gòu)在循環(huán)加載后期，仍能保持較穩(wěn)定的承載能力．

延性反映了結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的非線性變形時保持強度的能力，可由位移延性系數(shù)對結(jié)構(gòu)的延性進行評價，位移延性系數(shù)為極限位移與屈服位移的比值．屈服位移通?？捎脦缀巫鲌D法、等能量法和Park法進行求解[20]．本文采用等能量法求解結(jié)構(gòu)的屈服位移，整體模型主要結(jié)果如表3所示．從表3中可以看出，四邊連接和單側(cè)開洞的延性系數(shù)基本在3.45～3.79，其中多道斜加勁鋼板墻(SPSW-MOS)延性最低，為3.10．兩邊連接形式能明顯提高結(jié)構(gòu)的延性，均超過4.00，其中兩邊連接豎向加勁(VSRO2)延性最高，達到了5.22．

表3 ?模型模擬結(jié)果

Tab.3 ?Simlation results of models

2.3 ?抗剪性能對比分析

《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定了鋼板剪力墻的變形限制：彈性層間位移角不宜大于1/250，彈塑性層間位移角不宜大于1/50．不同加勁形式的鋼板剪力墻承載力及剛度見表4和表5．

由表4可以看出，不同的加勁形式還能不同程度地提高鋼板剪力墻的承載能力，其中豎向加勁鋼板墻(SPSW-VS)的循環(huán)承載力峰值提高9%；小區(qū)格對角加勁鋼板剪力墻(SPSW-DS)提高最為明顯，循環(huán)承載力峰值提高38%；而對角加勁(DS2)和多道斜加勁(MOS)形式也有30%左右的提升，同樣是優(yōu)異的加勁形式．對于單側(cè)開洞或兩邊連接形式，開洞率(開洞面積占整體墻面面積)分別為15%和30%，循環(huán)承載力峰值分別下降20%和44%．可以通過加勁形式提高結(jié)構(gòu)承載力近彌補開洞造成的承載力損失，并且斜加勁形式比豎向加勁形式更有效，對鋼板剪力墻的承載力提高更顯著．

表4 ?鋼板剪力墻模型承載力

Tab.4? Bearing capacities of SPSW models

由表5可以看出，非加勁鋼板剪力墻(SPSW-STA)初始剛度達到了125.29kN/mm；在1/250層間位移角時，非加勁鋼板剪力墻(SPSW-STA)的割線剛度達到了86.89kN/mm；在1/50層間位移角時，非加勁鋼板剪力墻(SPSW-STA)的割線剛度達到了23.99kN/mm. 豎向加勁能提高約37%的初始剛度，小區(qū)格對角加勁鋼板剪力墻(SPSW-DS)提高最為明顯，達到64%，而對角加勁和多道斜加勁形式也有50%左右的提升．結(jié)構(gòu)達到1/250層間位移角時，豎向加勁形式比非加勁形式的鋼板剪力墻剛度僅高約6%，而3種斜加勁形式比非加勁形式剛度提高約34%～39%，說明在結(jié)構(gòu)屈曲后，豎向加勁形式對結(jié)構(gòu)剛度的提高有限，而斜向加勁形式能繼續(xù)提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度．對于單側(cè)開洞和兩邊連接形式的鋼板剪力墻，剛度明顯低于四邊連接形式，并且斜向加勁形式對剛度的提高仍然明顯．

表5 ?鋼板剪力墻模型剛度

Tab.5 ?Stiffnesses of SPSW models

2.4 ?耗能能力對比分析

結(jié)構(gòu)的滯回環(huán)所包圍的面積是結(jié)構(gòu)吸收能量轉(zhuǎn)化為非彈性變形的能量，滯回環(huán)面積越大，結(jié)構(gòu)耗散的能量也就越多．模型隨循環(huán)次數(shù)的增加，累積能量耗散(各循環(huán)的滯回環(huán)面積累加)如圖8(a)所示，最終結(jié)構(gòu)能量耗散如圖8(b)所示，1層能量消耗用黑色條帶表示，2層能量消耗用紅色條帶表示，1層能量消耗占總消耗能量用白色數(shù)字表示，黑色數(shù)字表示不同加勁形式鋼板墻的總消耗能量與標準鋼板墻的總消耗能量的比值，用百分數(shù)表示．

圖8 ?模型能量耗散對比

從圖8中可以看出，對于四邊連接的鋼板剪力墻，1層能量消耗占比為57%～64%，其中對角加勁形式(DS2)占比最大，豎向加勁形式(VS)占比最小；側(cè)邊開洞則減小了1層能量消耗的占比，達到53%～60%．開洞形式(RO和RO2)降低了鋼板剪力墻的耗能能力，相比標準鋼板剪力墻，能量消耗降低了30%～40%．通過采用加勁的形式能明顯提升鋼板剪力墻的耗能能力，其中小區(qū)格對角加勁形式(DS)消耗的能量提高了1.9倍，而豎向加勁形式(VS)相對于其他形式則提升較弱，但也提高了1.3倍的耗能能力．對于開洞形式的鋼板剪力墻，采用加勁肋同樣也能明顯提升結(jié)構(gòu)耗能能力，其中單側(cè)開洞-多道斜加勁形式(MOSRO)效果最好，相比非加勁形式(RO)提高了近2倍能量消耗能力．

評價結(jié)構(gòu)的耗能能力一般還采用能量耗散系數(shù)來表示，即

式中：表示滯回曲線面積，如圖9所示(陰影填充部分)；表示虛線圍成的三角形面積．

從圖10(a)可以看出，對于四邊連接形式的鋼板剪力墻，設(shè)置加勁肋能有效地延緩鋼板的屈曲，改善滯回曲線的“捏縮”現(xiàn)象，能量耗散系數(shù)都要明顯地高于非加勁鋼板剪力墻，其中，斜加勁鋼板剪力墻的能量耗散系數(shù)隨位移幅值的增大而不斷增大，幾乎呈線性增長，并且多道斜加勁形式(MOS)的能量耗散系數(shù)最大；而豎向加勁和非加勁形式的能量耗散系數(shù)后期增長緩慢．

從圖10(b)可看出，對于單側(cè)開洞的鋼板剪力墻，多道斜加勁(MOS)與對角加勁(DS)比非加勁提高約30%能量耗散系數(shù)，兩種斜加勁形式的能量耗散系數(shù)變化較為接近，并且三者的變化趨勢較為一致.

從圖10(c)能看出，兩邊連接形式的鋼板剪力墻(RO2)的能量耗散系數(shù)要高于四邊連接和單側(cè)開洞，并且豎向加勁(VS)和對角加勁(DS)形式對兩邊連接鋼板剪力墻能量耗散系數(shù)的提高都很明顯．

從圖10(d)可以看出，兩邊連接-對角加勁形式(DSRO2)能量耗散系數(shù)最大，是標準鋼板墻的1.7倍，達到了2.77；3種斜加勁形式對結(jié)構(gòu)的能量耗散系數(shù)提升約40%，而豎向加勁形式僅提升17%，采用斜加勁能更有效地發(fā)揮加勁肋的作用．

2.5? 承載力退化特性對比分析

在循環(huán)荷載作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生局部屈曲、塑性變形，導(dǎo)致承載力不斷退化，等幅度循環(huán)荷載作用下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性一般用承載力退化系數(shù)來表示，即

承載力退化系數(shù)越大，表明結(jié)構(gòu)承載力下降越慢，能夠維持穩(wěn)定的抗側(cè)能力．結(jié)構(gòu)整體承載力退化系數(shù)如圖11所示．

從圖11中可以看出，四邊連接形式的鋼板墻承載力退化系數(shù)均高于0.80，其中豎向加勁和非加勁形式承載力退化系數(shù)大于0.90，抗側(cè)能力穩(wěn)定；而3種斜加勁形式的承載力在循環(huán)后期均出現(xiàn)嚴重退化，這是由于增強拉力帶使得對框架柱的附加彎矩作用增大，同時在豎向荷載產(chǎn)生的傾覆力矩作用下，框架柱過早發(fā)生局部屈曲，不能維持較高的承載力，出現(xiàn)大幅的下降．

2.6?斷裂性能及破壞形式對比分析

鋼板剪力墻模型的在往復(fù)荷載作用下的最終形態(tài)如圖12所示，圖中陰影表示結(jié)構(gòu)在整個加載過程中受拉和受壓產(chǎn)生的塑性應(yīng)變絕對值的累積結(jié)果，即等效塑性應(yīng)變(PEEQ)，塑性應(yīng)變累積越大，鋼材越容易發(fā)生斷裂，由此可以預(yù)測鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的斷裂和破壞位置(圖中PEEQ值相對于單個結(jié)構(gòu)本身).

由圖12中可以看出，所有模型的1層框架柱角部均有不同程度的屈曲變形，形成明顯的塑性鉸，是鋼板墻結(jié)構(gòu)中相對薄弱的部位．對于非加勁鋼板剪力墻(STA、RO和RO2)，墻體出現(xiàn)明顯的雙向拉力帶，拉力帶方向約為45°，在雙向拉力帶交匯處的等效塑性應(yīng)變PEEQ較大，鋼板容易發(fā)生疲勞斷裂．

圖11 ?承載力退化系數(shù)對比

對于豎向加勁鋼板剪力墻(VS、VSRO2)，由于槽鋼加勁具有很大的抗彎剛度和抗扭剛度，將墻板分為寬高比較大的小區(qū)板，并且加勁肋作為小區(qū)格的邊緣構(gòu)件，使得拉力帶在小區(qū)格內(nèi)能夠充分發(fā)展，因此該類型的鋼板剪力墻的墻板等效塑性應(yīng)變PEEQ分布較為均勻．

對于不同形式的斜向加勁鋼板剪力墻(DS、DS2、MOS和DSRO)，加勁肋將墻板分割為三角形小區(qū)塊，受拉(受壓)加勁肋在墻板屈曲后起到增大拉力帶(或撐桿)的效果，這明顯增大了對框架柱的附加彎矩，并且在豎向荷載產(chǎn)生的傾覆力矩作用下更進一步加重了框架柱的局部屈曲．因此在進行設(shè)計時，需要增大柱截面或使用更剛強的截面形式，如方鋼管框架柱等．從另一方面考慮，斜向加勁肋對鋼板剪力墻的承載力和剛度都有大幅度的提升，并且在內(nèi)填鋼板屈曲后參與抵抗水平力和耗能，可以考慮進一步減小內(nèi)填鋼板厚度，通過設(shè)置斜向加勁肋以達到較厚墻板的效果．

對比DS、DS2、MOS、MOSRO可以看出，若結(jié)構(gòu)的跨高比較大，則不適合采用對角加勁形式，因為它會使得加勁肋長細比較大，容易失穩(wěn)發(fā)生屈曲而失去加勁效果，建議采用小區(qū)格對角加勁或多道斜向加勁形式．

選取鋼板剪力墻模型各部件的PEEQ最大值進行對比，如圖13所示．可以看出，非加勁鋼板剪力墻和豎向加勁鋼板剪力墻各構(gòu)件的PEEQ最大值基本小于1，受力較為均勻．而對于斜加勁形式的鋼板剪力墻，內(nèi)填鋼板PEEQ值非常大，這是由于斜加勁肋與邊緣構(gòu)件留有一定的距離，因此內(nèi)填板在加勁肋的兩端部分在循環(huán)過程中不斷發(fā)生受拉和受壓，容易累積塑性變形，進而導(dǎo)致內(nèi)填板角部的斷裂．可以考慮在加勁肋端部設(shè)置墊板或其他措施以加強內(nèi)填板在加勁肋端部的強度，避免影響鋼板剪力墻性能的發(fā)揮.

圖13? 模型PEEQ最大值對比

圖14為鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)在1/50位移角和最終時刻的鋼板墻平面外變形最大值．從圖中可以看出，在1/50位移角時，標準鋼板墻及兩邊連接鋼板墻的1層、2層平面外位移幾乎一致，而其他類型的1層面外位移均大于2層．豎向加勁和小區(qū)格對角加勁形式對鋼板的面外屈曲有很好的限制效果，都明顯低于未加勁的情況．而斜加勁形式DS2、MOS和DSRO由于對框架柱的附加作用大大增加，使得柱腳過早局部屈曲，鋼板墻發(fā)生較大的面外變形．不同加勁肋形式對兩邊連接形式(RO2)的面外變形始終有良好的限制作用，框架柱未出現(xiàn)嚴重的局部屈曲，鋼板的面外位移都低于未加勁的情況．

圖14?平面外變形對比

3? 結(jié)?論

本文建立了11個雙層單跨鋼板剪力墻的縮尺模型，考慮了不同加勁形式以及不同的框-板連接形式(包括四邊連接、單側(cè)開洞和兩邊連接形式)，對模型進行了非線性有限元分析，研究了不同形式的加勁鋼板剪力墻的抗震性能，得出以下結(jié)論．

(1) 設(shè)置加勁肋能明顯改善鋼板剪力墻的“捏縮”現(xiàn)象，并提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力和剛度，其中豎向加勁形式在墻板屈曲后，剛度提升效果下降；而斜向加勁在屈曲后，結(jié)構(gòu)仍能保持較高的剛度，是一種高效的加勁形式．

(2) 兩邊連接形式由于不與框架柱連接，拉力帶的發(fā)展受到限制，承載力和剛度有明顯的下降．但該形式能提高鋼板墻結(jié)構(gòu)的延性，并有效地減弱鋼板墻拉力帶對框架柱的不利影響；通過設(shè)置加勁肋，鋼板墻結(jié)構(gòu)的滯回曲線呈飽滿的梭形，承載力退化程度低，能量耗散系數(shù)提高，具有良好的穩(wěn)定性和耗能?能力．

(3) 豎向加勁形式將墻板分割為寬高比較大的小區(qū)格，拉力帶能在小區(qū)格內(nèi)充分發(fā)展，墻板的受力更加均勻．斜向加勁形式同樣能起到限制鋼板面外屈曲的作用，能明顯提高結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度，但由此帶來的影響是增大了對框架柱的附加應(yīng)力，結(jié)構(gòu)承載力退化較為嚴重，因此需要考慮增大柱截面或采用方鋼管等更剛強的框架柱形式，以維持拉力帶的發(fā)展．或者進一步減小內(nèi)填板的厚度，依靠斜加勁肋增大拉力帶效應(yīng)來提供所需的承載力和剛度．

(4) 對于大跨高比的墻板，建議采用小區(qū)格對角加勁形式(DS)，避免斜向加勁肋的長細比過大而影響加勁效果．在小區(qū)格對角布置斜加勁肋，也利于拉力帶與斜加勁肋的協(xié)同作用．

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Hysteretic Behavior of Different Forms of Channel-Stiffened Steel Plate Shear Walls

Yang Yuqing，Mu Zaigen

(School of Civil and Resource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

Steel plate shear wall(SPSW)is a new type of lateral force resisting structure with good ductility，lateral stiffness，and energy dissipation. SPSW is suitable for buildings in high-intensity areas，and stiffening is often used to improve its performance. To compare the effects of different forms of channel-stiffening and frame-plate connections—including vertical stiffening，diagonal stiffening，one-side opening，and beam-connected SPSW—on the hysteretic behavior of SPSW，nonlinear finite element models were established to analyze and predict seismic performance and failure behavior. In this study，11 two-span single-span stiffened SPSW models were established. The bearing capacity，energy dissipation，degraded characteristics，ductility，and failure modes of the earlier mentioned SPSW forms were compared. The results showed that channel stiffeners can effectively improve cyclic pinch of SPSWs and increase the load-bearing capacity and lateral stiffness in varying degrees. Diagonal stiffeners could significantly improve the lateral stiffness and load-bearing capacity of the structure，which could consequently maintain a higher stiffness after steel plate buckling，while the vertical stiffening form had less improvement on the stiffness and bearing capacity of the structure，and the force on the steel plate was more uniform. The beam-connected SPSW could effectively avoid additional bending moment on the columns and had good cooperation with the stiffeners，and the structure had good stability and energy consumption. When the span-height of the plate was relatively large，the diagonal stiffening form in the sub-plate had a better effect. The diagonal stiffening form had a greater additional effect on the columns after buckling；therefore，in its design，the cross section of the columns should be increased or the plate thickness should be further reduced to avoid premature local buckling of the columns，which can reduce structural bearing capacity.

steel plate shear wall；hysteretic behavior；channel stiffener；energy dissipation；degradation characteristic；finite element method

TU392.4

A

0493-2137(2019)08-0876-13

10.11784/tdxbz201806012

2018-06-06；

2018-12-03.

楊雨青（1993—），男，博士研究生，yangyuqing726@163.com.

牟在根，zgmu@ces.ustb.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51578064)；北京市自然科學(xué)基金資助項目(8172031).

the National Natural Science Foundation of China(No. 51578064)，the Natural Science Foundation of Beijing，China(No. 8172031).

(責(zé)任編輯：樊素英)