柱刚度对蜂窝钢板剪力墙抗震性能的影响

袁朝庆， 王义荧, 刘 彦

(1.东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318；



柱刚度对蜂窝钢板剪力墙抗震性能的影响

袁朝庆1,2， 王义荧1,2, 刘 彦3

(1.东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318；

2.黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室， 黑龙江 大庆 163318；

3.天津安装工程有限公司， 天津 300061)

为了研究柱刚度对钢框架-蜂窝钢板剪力墙抗震性能的影响，应用有限元软件ADINA建立五个具有不同柱截面尺寸的单层钢框架-蜂窝钢板剪力墙计算模型，分析其在水平往复荷载作用下的抗震性能。在单层计算模型的基础上，选取三组模型建立三个不同柱刚度的12层钢框架-蜂窝钢板剪力墙结构有限元计算模型，研究其在9度罕遇地震作用下的地震响应。结果表明：随着柱刚度的增大，单层钢框架-蜂窝钢板剪力墙的滞回性能、能量耗散系数和抗侧刚度均逐渐增加；三种不同柱截面尺寸的12层钢框架-蜂窝钢板剪力墙结构在9度罕遇地震作用下的层间位移角均未超过结构弹塑性层间位移角1/50的限值，结构均未发生破坏，抗震性能良好。

蜂窝钢板剪力墙； 地震响应； 柱刚度

0 引 言

随着钢结构的广泛应用，钢板剪力墙结构在抗震中表现出良好的抗震性能，因而成为一种新型抗侧力体系[1-2]。目前，我国学者致力于研究新型建筑结构形式，如带缝钢板剪力墙和开洞钢板剪力墙[3-5]，旨在通过降低钢板的刚度来增加其延性，提高结构的抗震能力。钢框架-蜂窝钢板剪力墙通过在内嵌钢板上开设蜂窝形排列的孔以达到结构耗能的目的。以往对带缝钢板剪力墙、开洞钢板剪力墙及蜂窝钢板剪力墙的性能分析，多采用实验方法和有限元分析法。为证明有限元分析方法对蜂窝钢板剪力墙性能分析的可行性，文献[6]建立了与文献[7]中实验模型相同的框架-开孔钢板剪力墙有限元模型，并对其进行了性能分析，有限元分析结果与实验结果吻合较好。为此，笔者利用有限元软件ADINA建立钢框架-蜂窝钢板剪力墙有限元模型，并通过改变模型中框架柱的截面尺寸研究柱刚度对其抗震性能的影响。

1 模型建立与地震波选取

1.1 模型建立

1.1.1 单层蜂窝钢板剪力墙

填充钢板采用Q235钢材，钢框架采用Q345钢材，其弹性模量均为206 GPa，泊松比均定义为0.3，钢材本构关系采用双线性随动强化模型。填充钢板的开孔率取为7.6%，高厚比均为200，轴压比均为0.2。为了满足“强柱弱梁”的设计要求，钢框架梁采用Q345H250 mm×125 mm×6 mm×9 mm的型钢，钢框架柱分别采用Q345H200 mm×200 mm×8 mm×12 mm、Q345H250 mm×250 mm×9 mm×14 mm、Q345H300 mm×300 mm×10 mm×15 mm、Q345H400 mm×400 mm×13 mm×21 mm、Q345H500 mm×300 mm×12 mm×16 mm的型钢，依次用B、B1、B2、B3、B4来表示，有限元模型如图1a所示。B1、B2、B3、B4的截面惯性矩依次是B的2.29、4.32、14.18和14.42倍，而截面面积依次是B的1.45、1.88、3.46和2.45倍。钢填充板单元与钢框架完全固结，结构下端全部固定，上端只约束平面外位移，左右两边均自由。将各个面划分为长度相等的不同份数，孔周围每份划分长度为0.02 m，而其余的长度均为0.05 m。

1.1.2 12层蜂窝钢板剪力墙

a 单层蜂窝钢板 b 12层蜂窝钢板

1.2 往复荷载与地震波选取

在单层蜂窝钢板剪力墙上施加的往复荷载如图2所示。

图2 加载制度

文中选取EL-Centro波、人工波和Taft波(II类场地)作为12层蜂窝钢板剪力墙的输入地震波，如图3所示，时间间隔为0.02 s，持续时间为10 s，峰值加速度依次为3.417、1.960和1.527 m/s2。9度罕遇地震下的地震加速度峰值为620 cm/s2。分析时，需要按地震波输入要求对文中选取的三种地震波幅值进行调整。

2 单层蜂窝钢板剪力墙的滞回性能

单层钢框架-蜂窝钢板剪力墙滞回曲线、能量耗散系数、骨架曲线分别如图4～6所示，其中F为底部剪力，Sd为顶点位移。

a EL-Centro波

b Taft波

c 人工波

图4 滞回曲线

由图4可知，在同一水平位移荷载作用下，随着柱截面惯性矩的逐渐增大，柱对内嵌钢板的约束增强，钢板刚度有少许提高，钢框架-蜂窝钢板剪力墙结构滞回环所包围的面积逐渐增大，并且结构捏缩现象逐渐减弱。

图5 能量耗散系数

由图5可知，随着柱刚度的增大，结构的能量耗散系数逐渐增大，且随着位移荷载的增大而增大。当位移荷载为15 mm时出现了转折，在15 mm前，能量耗散系数随着位移增大增速较快；在15 mm后，B1、B2、B3、B4的能量耗散系数依次是B的1.04、1.08、1.28和1.32倍，能量耗散系数随着位移增大增速较慢；当位移荷载达到52 mm时，结构均发生破坏，此时，B1、B2、B3、B4的能量耗散系数依次达到B的1.03、1.04、1.22和1.29倍。

图6 骨架曲线

由图6可知，随着柱刚度的增大，结构的承载力逐渐增大，在位移荷载小于5 mm之前呈线性，当位移荷载达到8 mm后，承载力基本稳定，但B、B3和B4在15 mm之后呈现出下降走势，且B的承载力下降较为明显，B3和B4的承载力相差不大，但是B4的截面面积是B3的0.71倍，更符合经济性。

由以上分析可知，在同一水平位移荷载作用下，随着框架柱截面惯性矩的逐渐增大，钢框架-蜂窝钢板剪力墙结构滞回性能、能量耗散系数以及抗侧刚度均有所增加，但当边缘框架柱截面惯性矩增大幅度小于5倍时，能量耗散系数增加不超过10%，在达到一定位移荷载之后，骨架曲线基本稳定；而当框架柱截面惯性矩增大14倍左右时，能量耗散系数增大30%左右，在达到一定位移荷载之后，骨架曲线反而呈现出下降趋势。

3 柱刚度对剪力墙结构抗震性能的影响

3.1 加速度时程

12层钢框架-蜂窝钢板剪力墙三种结构在三种罕遇地震波作用下的顶点最大加速度时程曲线如图7所示。

a EL-Centro波

b Taft波

c 人工波

Fig. 7 Absolute maximum acceleration value of vertex under different waves

3.2 位移时程

三种结构在三种罕遇地震波作用下的顶点最大位移时程曲线如图8所示。

a EL-Centro波

b Taft波

c 人工波

Fig. 8 Maximum displacement time history curves of vertex under different waves

3.3 层间位移角响应

由结构在三种多遇地震波作用下的顶点最大位移时程曲线可得楼层最大侧向位移(smax)及楼层层间位移角，如表1、2所示，据此绘制曲线如图9、10所示。

表1 不同波作用下楼层最大侧向位移

表2 不同波作用下楼层层间位移角

a EL-Centro波

b Taft波

c 人工波

Fig. 9 Maximum lateral displacement of floor under different waves

a EL-Centro波

b Taft波

c 人工波

4 结 论

(1)单层蜂窝钢板剪力墙在同一水平位移荷载作用下，随着框架柱截面惯性矩的逐渐增大，钢框架-蜂窝钢板剪力墙结构滞回性能、能量耗散系数均有所增加，但出于经济性的考虑，边缘框架柱的截面尺寸不必选取过大，且尽量选取较窄翼缘的型钢。

(2)三种不同地震波作用下的12层蜂窝钢板剪力墙，加速度响应、顶点位移响应、最大楼层位移及层间位移角随柱刚度的变化规律均不尽相同，但总体而言，在同一种地震波的作用下，结构的加速度响应随柱刚度的增加而增加，顶点位移响应、最大楼层位移和层间位移角则有所降低。

(3)三种不同柱刚度的蜂窝钢板剪力墙结构在9度罕遇地震作用下均未发生破坏，抗震性能良好。

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(编校 荀海鑫)

Effect of column stiffness on seismic performance of honeycomb shaped steel plate shear wall

YuanZhaoqing1,2，WangYiying1,2，LiuYan3

(1.School of Civil & Architecture Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;2.Heilongjiang Key Laboratory of Disaster Prevention, Mitigation & Protection Engineering, Daqing 163318, China;3.Tianjin Installation Engineering Limited Company, Tianjin 300061, China)

This paper is devoted to investigating the effects of columns’ stiffness on the seismic performance of steel frame-honeycomb shaped steel plate shear wall. The research is composed of using finite element software ADINA to develop five one-storey steel frame with different section sizes of column-computation models for honeycomb-shaped steel plate shear wall and thereby analyzing the seismic behavior when subjected to the cyclic load; based on one-storey computation models, developing three twelve-storey steel frame-honeycomb shaped steel plate shear wall models and analyzing the seismic response of which under the rare earthquake of 9 degrees. The results demonstrate that an increase in column stiffness is accompanied by a gradual increase in the hysteretic behavior, energy dissipation coefficient, and lateral stiffness of one-storey steel frame-honeycomb-shaped steel plate shear wall. The interlayer drift angle of three twelve-storey steel frame-honeycomb shaped steel plate shear wall with different size of columns when exposed to the rare earthquake of 9 degrees does not exceed the limit value of 1/50, demonstrating the advantages accompanying the structure, such as the freedom from damage and a better seismic performance.

honeycomb shaped steel plate shear wall; seismic response; column stiffness

2016-06-25

东北石油大学研究生创新科研项目(YJSCX2015-035NEPU)

袁朝庆(1970-)，男，黑龙江省依安人，教授，博士，研究方向：工程结构抗震，E-mail:yvq@sina.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.008

TU398.2

2095-7262(2016)05-0506-07

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