屈曲约束开缝钢板剪力墙性能研究①

李志军

(同济大学土木工程学院，上海200092)

0 引 言

钢板剪力墙结构［1］是近几十年在混凝土剪力墙结构的基础上迅速发展起来的一种较为新型的抗侧向力结构体系.

由带竖缝混凝土剪力墙［2］引申出来的开缝钢板剪力墙在水平荷载作用下，其变形主要为开缝部分的条带弯曲变形和其余部分墙体的剪切变形组成.靠的是开缝条带端部形成的塑性铰来耗能.同时由于开缝的存在，大幅地提高了钢板墙的延性.

目前开缝钢板剪力墙的研究成果主要由Hitaka［3］等人所提出，其刚度、屈服承载力和极限承载力计算公式得到了广泛的认可.在实际工程中将钢板墙构件按刚度等效原则替换成交叉支撑来进行参数设计，并通过实践证明了其可靠性.同济大学孙飞飞等通过大批的实验与理论研究，证明屈曲约束开缝钢板剪力墙具有稳定且饱满的滞回性能［4］，是一种较高效的耗能构件.

综上，目前已有的屈曲约束开缝钢板剪力墙研究，虽然比较成熟，但各文献所得的参数误差不一，没有经过系统的分析且未建成如屈曲约束支撑那样的完善的参数体系.本文将对四块屈曲

约束开缝钢板剪力墙的初始刚度、屈服承载力、第二刚度和极限承载力等参数进行分析，提出相应的滞回模型以便对钢板剪力墙结构进行设计.

1 试验概况

统计了4 块屈曲约束开缝钢板剪力墙进行研究，试件信息如表1.其各参数含义见图1.

表1 试件设计信息

表2 试验值与有限元对比

SPW1 165 555 1050 165 550 950 SPW2 254 810 1360 260 800 1150 SPW3 85 350 655 85 350 650 SPW4 140 500 1000 140 500 930

SPW1 ～SPW3 墙板采用BLY225，SPW4 采用Q235.由表1 可见，试件涉及的钢板墙高宽比范围较广，具有一定的普遍意义.

图1 屈曲约束开缝钢板剪力墙参数

图2 SPW1 试验结果与有限元对比

图3 SPW2 试验结果与有限元对比

图4 SPW3 试验结果与有限元对比

图5 SPW4 试验结果与有限元对比

图6 应变测点布置图

2 结果分析

2.1 试验结果及有限元分析

将有限元模拟的单调曲线与实验所得滞回曲线对比如图2 ～图5，可见有限元曲线与实验所得的骨架曲线吻合良好.将试件及有限元得到的初始刚度、屈服承载力及极限承载力分别对比如表3 所示也表明有限元结果与实验结果符合良好.

2.2 试验框架承担的剪力分析

以上实验及有限元所得结果为屈曲约束开缝钢板剪力墙与两侧试验框架柱的共同作用.由于重复加载，实验框架柱性能已基本趋于弹性，可在所得结果中扣去框架柱的贡献，所得即为钢板墙的抗侧贡献.根据应变测点布置及测量理论可得:

则柱子分担的剪力为:

建立实验框架的有限元模型，根据以上分析得到两侧柱剪力贡献的滞回曲线及有限元对比见图7，得到试验框架刚度为4.5kN/mm.

表3 钢板剪力墙实验值与理论值对比

3 钢板剪力墙参数体系

由上节分析，扣除实验框架柱的贡献可得到屈曲约束开缝钢板剪力墙的各参数如表4.

3.1 初始刚度及极限承载力

初始刚度计算公式2［8］全面地考虑了弯曲杆的弯曲变形和剪切变形、上下板带及缝间板带的剪切变形还有上下板带的弯曲变形.由表4 的初始刚度误差对比可见，公式2 能够较准确地描述屈曲约束开缝钢板剪力墙的初始刚度.

同时，由表4 的极限承载力误差分析可见，极限承载力(公式3)的设计公式也是合理的.

3.2 屈服承载力

无面外约束的开缝钢板剪力墙其屈服强度的计算是考虑开缝条带的弯曲杆边缘进入塑性时刻，得到的初始屈服强度:

其与实验值对比如表4 所示，误差基本在35%左右.可见，将屈曲约束开缝钢板剪力墙的构件屈服时刻定为条带边缘屈服时刻是不合理的.无面外约束的开缝钢板剪力墙当其条带边缘进入屈服后迅速失稳，整个钢板墙构件出现面外屈曲.而屈曲约束开缝钢板剪力墙由于面外约束的作用，在使用期间不会产生面外屈曲，所以在条带边缘纤维屈服后承载力还能稳定增长.

图7 实验框架的滞回曲线及有限元对比

分析条带端部的塑性发展过程:边缘纤维达到弹性极限后，条带部分逐步进入塑性.塑性部分因材性强化仍具有一定的刚度.截面弹性极限到全截面进入屈服的过程，钢板剪力墙的侧移并不大.可见对于钢板墙试件而言，由边缘屈服状态到全截面屈服状态的刚度变化并不明显且在很短的侧移内完成.基于以上分析，建议钢板墙构件的设计屈服承载力取条带全截面屈服时刻，且在该时刻试件刚度有明显的变化.这一点也可由图2 ～图5 的实验曲线得到证实.即取屈曲约束开缝钢板剪力墙的屈服承载力为:

可得各钢板墙参数对比如表5.

由表5 可见，修正取值时刻后的屈曲约束开缝钢板剪力墙屈服承载力设计公式能较准确地评价试件的性能.

表4 修正后的屈服承载力对比

3.3 弹塑性滞回模型

对钢板剪力墙结构进行弹塑性地震位移反应分析时，需将钢板剪力墙等效为交叉支撑，于是需要确定用于等效支撑弹塑性分析的相应滞回模型.由于屈曲约束开缝钢板剪力墙性能稳定，滞回曲线饱满，可采用双折线滞回模型，如图8.

图8 屈曲约束开缝钢板剪力墙的弹塑性滞回模型

其中:K 为初始刚度.Nby为屈服承载力;q 为构件的强化系数

3.4 第二刚度

叶列平［5］等人的研究表明，具有一定第二刚度的强化型结构体系是实现结构性能化抗震设计的必备条件.同时离散性与震后残余变形也得到明显减小.可见钢板墙的第二刚度对结构整体性能具有显著影响.

单向构件如支撑等，其结构的第二刚度与初始刚度之比应与相应钢材的强化系数相当.而对于各种维度的构件来说，单向构件的刚度强化系数是最小的.钢板剪力墙是二维构件，表6 对本文所述4块钢板墙试件的统计结果也表明，尽管分布趋势不明显，但试件的刚度强化系数均比相应钢材的要大.故可偏安全地取材料的强化系数为结构的强化系数.

表5 试件与材料的刚度强化系数对比

4 结 论

(1)本文基于对塑性发展过程的分析，改取屈服时刻为条带端部全截面屈服时刻，并证明了修正后的屈服承载力能较好地表达屈曲约束开缝钢板剪力墙作为耗能构件的特性.

(2)本文通过分析证明，现有的设计公式能较准确地描述屈曲约束开缝钢板剪力墙的初始刚度及极限承载力.

(3)本文考察了屈曲约束开缝钢板剪力墙试件第二刚度与第一刚度的相互关系，提出可偏安全地取钢板墙材料的强化系数为钢板墙构件的强化系数.

(4)本文通过逐项论证，得到了用于屈曲约束开缝钢板剪力墙结构弹塑性地震位移反应分析的双折线滞回模型.完善了屈曲约束开缝钢板剪力墙的设计体系.

［1］ 郭彦林，等.钢板剪力墙的发展与研究现状［J］.钢结构，2005，20(1)，1.6.

［2］ 张耀春，刘永华，丁玉坤，张文元.带竖缝钢筋混凝土剪力墙板的简化静力分析模型［J］.土木工程学报，2006，39(9):62－67，79.

［3］ TokoHitaka，Chiaki Matsui.Experimental Study on Steel Shear Wall with Slits.Journal of Structural Engineering，ASCE，2003.

［4］ 王鹏志.不同高宽比防屈曲开缝钢板墙抗震性能研究［D］.上海:同济大学，2012.

［5］ 叶列平，陆新征，等.屈服后刚度对建筑结构地震相应影响的研究［J］.建筑结构学报［J］.2009，4(3):38－45.