低屈服点钢板剪力墙梁柱刚接与梁柱铰接对比分析

贺圆 王凯键

摘要 因为在地震荷载作用下，钢框架梁柱不同的连接方式对低屈服点钢板墙结构的耗能、强度、变形都有着较大的影响，只有对这些参数进行深入研究，才能使结构具有最佳的承载力、延性和耗能能力。因此，对于低屈服点钢板墙的参数分析是十分重要的。文运用ANSYS软件对框架梁柱刚接与铰接、剪力墙板与周边框架固支和简支、2种情况下的结构抗震性能进行了研究，主要研究内容包括极限承载力、初始刚度、延性、能量耗散系数和不同加载荷载级下的滞回环特性。

关键字 低屈服点钢板剪力墙；滞回性能；耗能性能

本小节的模型尺寸：框架梁的截面尺寸为H600×450×20×30mm，框架柱的截面尺寸为H600×600×35×40mm；剪力墙板的尺寸是3000×3000mm，厚度为10mm。剪力墙板采用LYP160，钢框架梁、柱构件采用普通的传统钢材Q345。对于这两种单层单跨模型，提取了梁柱刚接与梁柱铰接的整体滞回曲线、骨架曲线、刚度-位移曲线等。

1.1滞回性能比较

滞回性能是结构抗震性能的一个重要指标。为了比较两种连接方式的滞回性能，分别提取了各模型的顶点位移与加载点处的水平荷载，得到的关系曲线称为滞回曲线，如图1.1所示。

图1.1 有限元模型滞回曲线

Fig.1.1 Hysteresis curves of finite element models

梁柱节点刚接与梁柱节点铰接钢板剪力墙在屈服前，由于结构都基本处于弹性受力阶段，变形极小，消耗的能量很少，荷载和位移之间基本都呈直线变化，滞回环面积接近于零。随着荷载的增大，结构由弹性阶段进入弹塑性阶段，滞回曲线开始向位移轴倾斜，面积增大，形状由原来的“梭形”向“反S 形”过渡；梁柱刚接与梁柱铰接的滞回曲线的捏缩程度不同，梁柱刚接的低屈服点钢板剪力墙模型比较饱满，说明梁柱刚接钢板墙比梁柱铰接结构具有更好的滞回性能，这是由于节点固接，使得中间钢板更容易产生变形而耗能，其底部剪力-位移曲线的整个加载过程如图1.2所示。

（a）第一加载级 （b）第二加载级

（c）第三加载级 （d）第六加载级

（e）第八加载级 （f）第十加载级

图1.2 不同加载级的滞回环曲线

Fig.1.2 Hysteresis loop curve at different loading levels

由滞回曲线的外包络图得到两种梁柱连接方式的骨架曲线，如图1.3所示。由图1.3可知：梁柱刚接与梁柱铰接的骨架曲线较为平缓，可以看出两者的骨架曲线基本一致，梁柱刚接的极限承载力略高于梁柱铰接。其次，梁柱刚接钢板剪力墙的极限承载能力虽然出现了很小幅度的下降，但承载能力始终比梁柱铰接钢板剪力墙的高。

不同梁柱连接方式的低屈服点钢板剪力墙结构的承载性能如表1.1所示。从表1.1中的数据可以得出，梁柱刚接钢板剪力墙比梁柱铰接钢板剪力墙的极限承载力分别提高了21.48%（正向）和25.47%（反向）；最后表3.1中给出的初始弹性抗侧刚度表明，相比于梁柱铰接钢板剪力墙，梁柱刚接的初始刚度提高了6.38%（正向）和6.32%（反向），两者的初始弹性抗侧刚度相差不大，说明结构的弹性抗侧刚度主要是由构件的截面尺寸控制，比如：剪力墙板的跨度和厚度等。

1.2 耗能性能比较

通过滞回环的面积可以衡量结构的耗能性能，滞回环面积越大，结构的耗能越好。能量耗散系数Ed为滞回环包围的面积与滞回环卸载段至横坐标轴之间三角形面积之比，如图1.4所示，它表示了滞回环的饱满程度，能量耗散系数越大，滞回环的形状也越饱满。能量耗散系数的计算式为：

（1.1）

图1.4能量耗散系数

Fig1.4 Energy dissipation factor

钢框架梁柱刚接和铰接的低屈服点钢板剪力墙结构模型的耗能、刚度和能量耗散系数分别如表1.2和表1.3所示。

表1.2和表1.3分别给出了梁柱刚接和梁柱铰接低屈服点钢板墙的滞回环面积，由此绘制的滞回环面积变化见图1.5。从图1.5中可以看出，在第1加载级阶段，两种结构模式的滞回环面积都接近于零，这是因为结构都基本处于弹性受力阶段，变形极小，消耗的能量很少；在随后的加载级中，滞回环面积随着加载级的上升而逐渐增加，但两者的增幅不一样，梁柱刚接低屈服点钢板墙的增幅要高于梁柱铰接，这说明梁柱刚接低屈服点钢板剪力墙结构的耗能能力大于梁柱铰接的低屈服点钢板剪力墙结构。

图1.5 两种模型滞回环面积曲线

Fig 1.5 Hysteresis loops curves of two models

再比较两者的能量耗散系数，由表1.2-1.3的数据绘出两种模型的能量耗散系数曲线，如图1.6所示。有限元模型的能量耗散系数在第1荷载级很小，根据上文分析，这是由于模型在这个阶段还基本处于弹性阶段，在第2至第5荷载级得到了大幅度的增长，此时梁柱铰接能量耗散系数大于梁柱刚接。在顶点位移为24mm处，两者的整体能量耗散系数达到2.05；随后能量耗散系数进入缓慢增长阶段，梁柱铰接能量耗散系数小于梁柱刚接，增长的幅度越来越小。在顶点位移为48mm处，梁柱刚接整体能量耗散系数达到2.66，梁柱铰接整体能量耗散系数达到2.45。两种不同钢框架梁柱连接模型的能量耗散系数在最大顶点位移处时差距为7.9%。

图1.6 两种模型的能量耗散系数变化曲线

Fig 1.6 Energy dissipation factor of two models

两种不同钢框架梁柱连接的低屈服点钢板墙结构的刚度变化曲线如图1.7。从图可以看出，梁柱刚接与铰接框架的初始弹性抗侧刚度僅有6.38%的不同；当在加载位移达到12mm时，梁柱刚性连接比梁柱铰接的大25.93%，但是当加载位移达到42mm时，两种连接方式的刚度逐渐相同，如图中加载位移增加到30mm之后的状态。以上分析说明两种结构在初始阶段主要由低屈服点钢板提供钢板墙体系的侧向刚度，所以两种连接方式在钢板屈服之前刚度差别不大，当钢板墙开始弹塑性屈曲变形后，两者的差异逐渐增大，此时梁柱刚性连接的刚度比梁柱铰接的刚度大，这是由于结构的塑性抗侧刚度主要由结构的钢框架提供。

图1.7 两种模型的侧向刚度变化曲线

Fig 1.7 The lateral stiffness curves of two models

本章小结

通过比较两种结构的滞回曲线可以得出低屈服点钢板剪力墙梁柱节点刚接的滞回曲线更加饱满，耗能效果更佳，极限承载力也高于梁柱铰接结构。从刚度方面分析，加载初期，由于是低屈服点剪力墙板提供侧向刚度，因此二者差别不大。随着荷载位移的增加，梁柱刚性连接比铰接具有更高的侧向刚度，这是由于在塑性阶段，结构的抗侧刚度主要由钢框架提供。另外从耗能方面来讲，梁柱刚接结构耗能大于梁柱铰接结构。从能量耗散系数方面分析，在顶点位移为48mm处，梁柱刚接整体结构的能量耗散系数达到2.66，梁柱铰接整体能量耗散系数达到2.45。两种不同钢框架梁柱连接模型的能量耗散系数在最大顶点位移处时差距为7.9%。