带缝钢板剪力墙中部加劲性能有限元分析

张 飞

(西安建筑科技大学 土木工程学院,陕西 西安 710055)

带缝钢板剪力墙(Steel Plate Shear Wall with Slits,简称SPWS)由日本九州大学的Toko Hitaka和Chiaki Mastsui教授提出[1]。如图1所示,是指用激光在钢板上按一定的间距开设宽度约为10mm的竖缝、并利用缝间小柱变形耗能的一种新型抗侧力构件。大量的试验研究和数值分析表明,它具有可调的初始刚度、较高的承载力和良好的延性、滞回性能。1999年,日本的西日本技术开发公司率先将其应用到九电工福岗分店和九电工熊本分店的办公大楼中[2];在国内,上海宝钢在两批足尺试验的基础上,已将其应用在四川都江堰灾后重建重点项目——幸福家园·逸苑钢结构住宅中(图2)。

图1 带缝钢板剪力墙

图2 工程实例

在工程应用中,为了方便门、窗洞口的布置和减少因附加弯矩对柱子造成的不利影响,SPWS通常只有上下两端与梁相连,而两侧与框架柱分开布置(图2)。当两侧通过合理设置加劲后[2]剪力墙类似于四边固结板,但由于开缝的影响,中部刚度相对于四周边较弱,受力时仍将发生一定程度的面外凸曲,对其外覆保温、隔热和防水等材料将产生不利的影响;且由于面外变形大、扭曲严重,对震后拆换也造成不便;此外,由于钢板墙中部凸曲失稳,不能完全保证缝间小柱端部均“先屈服后屈曲”进而造成耗能损失。为此借鉴非开缝钢板剪力墙常用的加劲形式,即对剪力墙中部进行“十字”加劲,把剪力墙分割成几个较小的区格、减小钢板墙的外围尺寸,以起到调节SPWS刚度分布、减少面外变形、提高延性和耗能性能的效果。本文将对这一加劲的影响和设计方法加以研究。

1 有限元模型及中部加劲的评价指标

1.1 有限元模型

模型取自某工程实例,构造及尺寸参数如图3所示,其中“十字”加劲的纵、横部分加劲截面相同,且通高(长)布置,变量为截面尺寸。模型的单元类型为SHELL181单元[3];钢材为理想弹塑性材料,屈服强度fy=235MPa;约束SPWS底部六个自由度、顶部考虑到楼板的作用只约束面外变形Uz和面外转角Rotx、耦合节点的Ux和Uy的自由度;取第一模态为初始缺陷波形,幅值为H/450;在顶部施加均匀水平线荷载P[4]。

图3 SPWS构造及尺寸参数

1.2 中部加劲及其评价指标

中部加劲主要作用是限制剪力墙的面外凸曲,相当于受压的外伸翼缘其宽厚比 b/t需满足《钢结构设计规范》(GB50017—2003)关于受压翼缘的要求,即:

其次,评价加劲对墙板约束的一个重要指标是加劲与墙板的面外刚度比η,计算公式如下[5]:

式中:Is为单个加劲肋板绕自身中面的惯性矩;D为开缝钢板的面外弯曲刚度,由于开缝宽度不大,可采用相应未开缝钢板面外刚度代替;t为剪力墙板厚度。

为便于对比分析,建了4组共16个模型,剪力墙厚度t分别取6mm、8mm、10mm和12mm,面外刚度比η分别取0、1、5和10,加劲具体尺寸及其对应的 η值如表1所示。

表1 中部加劲截面尺寸及对应η值

2 中部加劲对SPWS的影响

2.1 对初始刚度、极限承载力和延性性能的影响

分别对4组16个模型进行单调加载和滞回分析,图4、图5分别为SPWS的荷载—位移曲线和滞回骨架曲线,由图可知:

(1)极限承载力:中部加劲对SPWS极限承载力的影响较小,提高幅度约为3%～8%,具体数值见表2所示。

表2 η对极限承载力的影响(kN)

图4 η对SPWS荷载—位移曲线的影响(单调加载)

图5 η对SPWS骨架曲线的影响(滞回加载)

(2)初始刚度:中部加劲对SPWS初始刚度的影响较小,提高幅度为5%左右,具体数值见表3所示。

(3)延性:对延性影响较大,如图4所示,随着η值的增大,SPWS荷载—位移曲线趋于平缓,表明延性越好,具体数值见表4所示;但是当η增大到一定程度时(η＞5),延性对η不敏感,且随着剪力墙板厚度t的增大,η的影响越小。

表3 η对SPWS初始刚度的影响

表4 η对延性性能的影响

2.2 对SPWS滞回性能的影响

图6为4组模型在 η=0(无加劲)和 η=10时的滞回曲线,可知设置中部加劲后,滞回曲线趋于饱满,SPWS相应的耗能也得到提高。经分析,原因在于中部加劲后,限制了剪力墙面外位移,使得缝间小柱“先屈服后屈曲”,缝端能够形成塑性铰。

2.3 对SPWS面外位移的影响

图7反映了面外弯曲刚度比η对SPWS面外位移Uz的影响,可知:加劲能有效限制面外凸曲,且随着η的增大,约束效果越好;但当η＞5时,增大η甚至导致面外位移增加,原因在于加劲约束过强,整板屈曲得到限制而缝间小柱凸曲增大,综合前文分析建议取 η=5。

图6 η对SPWS滞回曲线的影响

图7 η对SPWS面外位移的影响

2.4 对SPWS屈曲模态的影响

如图8所示,通过在剪力墙中部设置 “十字”加劲,把剪力墙分割成几个较小的区格,相当于减小了钢板墙的外围尺寸、调节了刚度分布,使得屈曲模式由整板凸曲变为缝间小柱独立弯扭屈曲,这无疑也是提高其耗能等其他相关物理指标的重要原因。

另外,试验及有限元模拟均表明,缝间小柱的屈曲存在明显的非均匀性,即每排柱的左右两侧第一、二根小柱要远早于其它小柱失稳(图 9),且出现在加载初期,即在小震、风荷载和施工荷载等正常使用情况下边缘小柱会有一定程度的面外凸曲,将对其外覆保温、隔热和防水等材料产生不利的影响需加以防止。经分析,原因在于倾覆弯矩的作用致使上下边界对两侧小柱存在拉、压效应,并且这种拉、压效应存在高度非线性,左右两侧大约1～2个柱状部范围内远大于中部区域[2](图10);加劲后,由于小柱变化均匀(图8),且面外位移大大减少,可以避免这种不利影响。

图8 加劲对SPWS屈曲模式的影响

图9 边缘小柱提前屈曲

图10 竖向应力的高度非线性分布

3 结 论

(1)中部“十字”加劲对带缝钢板剪力墙(SPWS)初始刚度和极限承载力的影响较小,提高幅度为5%左右。

(2)加劲能显著提高SPWS延性性能。弯曲刚度比η越大,延性越好;但当η＞5时,延性对 η不敏感;且随着剪力墙厚度 t的增大,η的影响越小,因此建议,t≥10mm,η=5。

(3)加劲大大减少SPWS的面外位移,减少幅度甚至高达 90%(图 7,t=10、η=5时)

(4)加劲对SPWS的耗能性能有一定程度的提高。

(5)加劲改变了SPWS的屈曲模式,使得缝间小柱变形较为均匀,减少了边缘小柱提前屈曲的不利影响。

[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]陈勇豪.开缝钢板剪力墙试验研究及理论分析[D].天津:天津大学,2008.

[3]温沛刚.带竖缝钢板剪力墙理论分析与试验研究[D].广州:华南理工大学,2005.

[4]陈勇豪,蒋路.加劲开缝钢板剪力墙抗剪静力性能分析[J].工业建筑,2008,(增刊):1338-1347.

[5]曹志亮.带缝钢板剪力墙稳定分析[D].武汉:武汉理工大学,2005.