带缝钢板剪力墙滞回性能和耗能能力分析
不同钢—混凝土组合剪力墙抗震性能对比分析
不同钢—混凝土组合剪力墙抗震性能对比分析在建筑结构领域，钢—混凝土组合剪力墙因其优异的抗震性能而备受关注。
为了更好地理解和应用这种结构形式，对不同类型的钢—混凝土组合剪力墙的抗震性能进行对比分析具有重要意义。
钢—混凝土组合剪力墙通常由混凝土和钢材通过某种方式组合而成，以充分发挥两种材料的优势。
常见的组合形式包括内置钢板混凝土剪力墙、外包钢板混凝土剪力墙等。
内置钢板混凝土剪力墙是将钢板置于混凝土内部，通过连接件与混凝土协同工作。
这种组合形式的优点在于钢板能够有效地承担拉力和剪力，提高墙体的承载能力和延性。
在地震作用下，内置钢板可以限制混凝土裂缝的开展，从而增强墙体的整体性和抗震性能。
外包钢板混凝土剪力墙则是将混凝土包裹在钢板外部。
外包钢板不仅为混凝土提供了良好的约束作用，而且能够提高墙体的抗侧刚度。
在地震时，外包钢板可以分担一部分水平荷载，减轻混凝土的负担，延缓墙体的破坏。
为了对比不同钢—混凝土组合剪力墙的抗震性能，需要从多个方面进行考量。
首先是承载能力。
承载能力是衡量剪力墙抗震性能的重要指标之一。
一般通过试验或数值模拟来确定不同组合剪力墙在竖向和水平荷载作用下的极限承载力。
研究发现，内置钢板混凝土剪力墙由于钢板与混凝土之间的协同作用较好，其承载能力相对较高。
而外包钢板混凝土剪力墙在钢板厚度和约束条件合理的情况下，也能达到较高的承载能力。
其次是延性性能。
延性是指结构在达到极限承载能力后，仍能保持一定变形能力而不发生脆性破坏的特性。
良好的延性可以有效地吸收地震能量，降低地震对结构的破坏程度。
在这方面，内置钢板混凝土剪力墙中的钢板能够在混凝土开裂后继续承担拉力，使墙体的变形能力得到提高。
外包钢板混凝土剪力墙由于钢板对混凝土的约束作用，也能表现出较好的延性。
再者是耗能能力。
耗能能力反映了结构在地震作用下消耗能量的能力。
通过对不同组合剪力墙在往复荷载作用下的滞回曲线进行分析，可以评估其耗能能力。
通常，滞回曲线越饱满，耗能能力越强。
不同形式的槽钢加劲钢板剪力墙滞回性能研究
不同形式的槽钢加劲钢板剪力墙滞回性能研究杨雨青;牟在根【摘要】钢板剪力墙是一种具有良好的延性、抗侧刚度和耗能能力的新型抗侧力结构,非常适用于高烈度地区建筑,通常采用加劲的方法以改善钢板墙的性能.为了对比不同槽钢加劲形式、框-板连接形式对钢板剪力墙滞回性能的影响,建立了非线性有限元模型进行分析,以预测加劲钢板剪力墙的抗震性能和破坏行为.通过建立11个双层单跨的加劲钢板剪力墙模型,包括竖向加劲、斜向加劲、单侧开洞、两边连接等情况,对其承载能力、耗能能力、退化特性、延性和破坏特征等问题进行了对比分析.结果表明,加劲肋能有效改善钢板剪力墙的滞回曲线\"捏缩\"现象,不同程度地提高钢板剪力墙的承载能力和抗侧刚度,其中斜向布置加劲肋能明显地提高结构抗侧刚度和承载能力,并在墙板屈曲后维持较高的刚度;而竖向加劲形式对结构的刚度和承载力提高较小,墙板受力更加均匀.两边连接形式的钢板剪力墙能有效避免对框架柱的附加弯矩,并可很好地与加劲钢板协同工作,结构具有较好的稳定性和耗能能力.当墙板跨高比较大时,采用小区格的交叉加劲形式有更好的效果,对角加劲形式在屈曲后对框架柱有较大的附加作用,因此设计时应增大柱截面或考虑进一步减小板厚,避免框架柱过早发生局部屈曲进而导致结构承载力下降.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2019(052)008【总页数】13页(P876-888)【关键词】钢板剪力墙;滞回性能;槽钢加劲肋;耗能能力;退化特性;有限元法【作者】杨雨青;牟在根【作者单位】北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083;北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083【正文语种】中文【中图分类】TU392.4钢板剪力墙(steel plate shear wall，SPSW)是一种新型抗侧力结构，有良好的延性，易于与钢框架匹配，形成“钢框架-钢板剪力墙”双重抗侧力体系．早期对钢板屈曲后性能认识不足，钢板墙厚度设计较厚，经济性较差，未得到工程师的青睐．1983年Thorburn等[1]发现薄钢板屈曲后形成拉力带，具有更高的抗侧力性能，随后薄钢板剪力墙的屈曲后性能引起了学者的关注．经过多年的发展，国内外采用钢板剪力墙作为抗侧力体系的建筑越来越多，如洛杉矶活力酒店[2]、天津津塔[3]、中国尊[4]等．钢板剪力墙的使用为建筑提供了可靠的稳定性和抗震性能，并且提高了建筑的使用面积、减小了工程造价和缩短了施工周期．薄钢板容易在较小侧向力作用下发生屈曲，形成拉力带以继续为结构提供承载能力，但在往复荷载作用下，拉力带随结构水平位移变化而改变方向时，伴有较大的鼓曲声响，结构出现“零刚度”甚至“负刚度”，滞回曲线出现明显的“捏缩”现象．通常采用加劲肋的形式以改善薄钢板易屈曲的问题，常用的加劲形式有十字加劲、对角加劲、纵横密肋加劲等形式[5].郭彦林和陈国栋等[6-7]研究结果表明，对角加劲形式不仅能提高结构弹性屈曲荷载，延缓钢板发生面外变形，并且能在屈曲后起到增大拉力带的效果，提高结构承载能力，是一种高效的加劲形式．在一些加劲钢板剪力墙的试验研究中发现[8-9]，采用单板加劲的钢板剪力墙在屈曲后对加劲肋产生较大的作用，导致加劲肋自身扭曲、破坏，严重影响了其加劲效果，甚至失效．为此有学者建议采用闭口形式的槽钢作为加劲肋，以增强加劲肋自身的强度和性能．而对槽钢加劲钢板剪力墙的研究也仅限于竖向加劲形式[10]及其受剪受压弹性屈曲[11-12]，还有很多研究空白之处．目前的研究成果没有系统地对不同加劲形式的钢板剪力墙滞回性能进行对比分析，本文采用ABAQUS有限元软件，对11种不同槽钢加劲形式、框-板连接形式的钢板剪力墙滞回性能进行分析，对比不同槽钢加劲肋布置形式及框-板连接形式对钢板剪力墙的承载能力、抗侧刚度、滞回性能、延性、退化特性和耗能能力等关键力学性能和抗震性能的影响，为实际工程提供参考．由于钢材在单调荷载和往复荷载作用下的力学响应有很大差别，Shi等[13]对我国常用钢材的循环本构模型进行了相关的试验研究，在Chaboche钢材本构的基础上，提出了在往复荷载作用下发生循环强化、屈曲、累积损伤退化等现象的钢材非线性混合强化本构模型，包括了随动强化和各向同性强化，如图1所示，具体参数定义详见文献[13]．王萌等[14]在此基础上拟合了可用于有限元软件ABAQUS 模拟钢板剪力墙的关键材料参数(如表1所示)，并验证了模型中采用的单元类型和边界条件的合理性，并对常见形式的钢板剪力墙进行了系统的对比分析[15]．本文在有限元软件ABAQUS中建立钢板剪力墙模型，梁、柱、内填钢板和加劲肋均采用S4R四节点缩减积分壳单元模拟，梁柱连接、内填板和框架连接及加劲肋与内填板等接触均采用绑定(TIE)连接模拟全焊接，并忽略鱼尾板和残余应力的影响．钢材的弹性模量E为206000N/mm2．选取合适的网格进行划分，本文模型网格尺寸取50mm以保证较高计算精度和较少的计算时长．考虑内填钢板的初始缺陷影响(以钢板的1阶屈曲模态作为分布模式，最大几何缺陷幅值取H/1000施加于结构)．约束结构底部的3个平动和3个转动自由度，并约束框架柱在顶梁处的平面外位移防止结构产生刚体位移．循环加载采用ABAQUS /Explicit[16]显式动力模块进行分析，输入钢材密度为7.8×10-9t/mm3，每个分析步的加载速率取0.5，采用自动的全局稳定增量步长估计，其余为默认设置，以保证整个加载过程中惯性力的影响很小，从而得到准确高效的准静态解．单调加载则采用ABAQUS/Standard静力通用(static general)进行分析，钢材本构模型采用双折线模型，强化阶段切线模量为0.02E．以文献[17]中非加劲钢板剪力墙SPSW-H2和文献[18]中交叉加劲钢板剪力墙SPSPW-HS2试件进行验证，材料属性按试验基础数据选取，利用混合本构模型，并输入材料的循环硬化属性，具体参数按表1选取．对比结果如图2和图3所示，数值模拟结果与试验滞回曲线基本吻合，并且能有效预测结构的破坏形态．模型为双层单跨钢板剪力墙结构，模型缩尺比为1∶3，考虑实际工程中大跨高比的情况，选取跨高比为2，考虑结构应符合“强框架，弱墙板”的设计原则，框架柱、梁采用Q345钢，内填钢板、槽钢加劲肋为Q235钢．钢板剪力墙结构的基本尺寸如图3所示．根据《钢板剪力墙技术规程》[19]，边缘柱的截面惯性矩应符合式中：为柱截面惯性矩；为柱截面最小惯性矩；为剪切力分配系数；为内填钢板厚度；为梁跨，按框架柱轴线距离计算；为柱高，按框架梁轴线距离计算．其余模型在此基础上，保持梁、柱尺寸不变，改变内填板加劲形式(如表2及图4所示)：①标准钢板剪力墙(SPSW-STA)，内填板厚度为3mm．②竖向槽钢加劲钢板剪力墙(SPSW-VS)，双面对称竖向布置3道5#槽钢，槽钢规格为50mm×37mm×4.5mm．③小区格对角加劲钢板剪力墙(SPSW-DS)，中部布置一道竖向槽钢将内填板分割为两个方形小区格，在小区格内布置对角槽钢加劲肋．④对角加劲钢板剪力墙(SPSW-DS2)，双面对称对角布置槽钢．⑤多道斜向加劲钢板剪力墙(SPSW-MOS)，双面非对称布置3道斜向槽钢加劲肋．⑥单侧开洞-钢板剪力墙(SPSW-RO)，在钢板剪力墙一侧开矩形洞，内填板开洞边一侧与边柱距离为300mm，开洞边设置50mm×4mm的方钢管加劲肋．⑦单侧开洞-多道斜向加劲钢板剪力墙(SPSW-MOSRO)，在多道斜向槽钢加劲钢板剪力墙一侧开矩形洞，内填钢板一侧与边柱距离为300mm，开洞边设置50mm×4mm的方钢管加劲肋．⑧单侧开洞-对角加劲钢板剪力墙(SPSW-DSRO)，在对角槽钢加劲钢板剪力墙一侧开矩形洞，内填钢板一侧与边柱距离为300mm，开洞边设置50mm×4mm的方钢管加劲肋．⑨两边连接-对角加劲钢板剪力墙(SPSW-DSRO2)，内填板两侧与框架柱不连接，距离边柱300mm，并设置方钢管加劲肋．⑩两边连接-竖向加劲钢板剪力墙(SPSW-VSRO2)，双面对称竖向布置3道槽钢，两侧与框架柱不连接，距离边柱300mm，并设置方钢管加劲肋.两边连接-钢板剪力墙(SPSW-RO2)，与框架柱不连接，距离边柱300mm，两侧布置方钢管加劲肋．对考虑初始缺陷的模型进行加载，加载分为竖向荷载加载和水平荷载加载：为模拟实际使用中受到的上部荷载作用，首先在两个框架柱顶分别施加350kN轴力(轴压比为0.2)，分两步进行加载，并且保持不变．为方便对模型进行对比，水平荷载通过位移控制进行加载，以依次增大的层间位移角为位移幅值进行循环加载，每级循环2次，共循环12次，最大加载幅值为60mm，超过《钢板剪力墙技术规程》中规定的弹塑性层间位移角1/50(50mm)，加载制度如图5所示．由于钢材在循环荷载作用下发生循环硬化和损伤积累，与单调荷载作用下有很大区别，并且在循环加载过程中，钢板屈曲后产生的拉力带方向不断改变，框架柱受拉力带作用产生局部屈曲等原因，使得结构随循环次数的增加而出现承载力下降的情况．各模型的整体滞回曲线如图6所示．从图6中可以看出，对于四边连接的钢板剪力墙(图6(a)～(e))，非加劲钢板剪力墙在屈曲后，形成的拉力带改变方向时，结构的承载力和刚度都有明显下降，滞回曲线有明显的“捏缩”，呈反S型．通过采用加劲的形式能有效地改善钢板剪力墙的“捏缩”现象．相比于竖向加劲钢板剪力墙(SPSW-VS)，斜向加劲(对角加劲DS、多道斜向加劲MOS)的滞回曲线呈现为饱满的梭形，承载力更高，耗能能力更强，表明斜向加劲相对于竖向加劲效果更佳，能在内填板屈曲后起到增大拉力带的效果，提高结构承载力，但需要注意的是斜向加劲形式起到增大拉力带作用的同时，对框架柱的附加弯矩也随之增大，因此随着循环次数和水平位移的增加，框架柱会发生更严重局部屈曲，导致结构后期的承载力有所下降．对于单侧开洞的钢板剪力墙(图6(f)～(h))，相比于四边连接承载能力有所降低，方钢管加劲肋的设置为开洞边提供了一定的约束作用，有利于拉力带的形成和发展．其中多道斜加劲形式(MOSRO)后期承载力下降较对角加劲形式(DSRO)小，基本能保持稳定．对于两边连接的钢板剪力墙(图6(i)～(k))，由于两侧都失去了框架柱的约束作用，并且内填板面积减小，结构的承载能力较低，对角加劲(DSRO2)和竖向加劲(VSRO2)同样能明显改善钢板剪力墙的“捏缩”现象，对角加劲钢板剪力墙的滞回曲线更加饱满．骨架曲线能反映结构在弹性阶段、弹塑性阶段和塑性流动阶段的屈服强度、极限承载力和延性等．第一次循环峰值的包络线所形成的骨架曲线如图7所示，不同加劲形式对钢板剪力墙的承载能力、退化特性等性能有着不同程度的影响．从图7中可以看出，各结构的极限位移角均超过《钢板剪力墙技术规程》中1/50(即0.02rad)，1层的极限位移角都大于0.02rad，表现出良好的变形能力，而2层层间位移角相对较小，在0.02rad左右．从图7(a)～(c)可看出，3种斜加劲形式(DS、DS2和MOS)的钢板墙2层在加载后期，随层间位移角增大承载力下降较为严重，这是由于斜加劲形式对框架柱的附加作用，并且在倾覆力矩作用下，1层的框架柱角部过早发生局部屈曲，影响了结构的抗侧能力，结构承载能力出现下降．而竖向加劲(VS)形式对框架柱产生的附加作用相对较小，骨架曲线与标准形式(STA)基本一致．对于单侧开洞形式(图7(d)～(f))，结构的承载力明显降低，但通过布置斜向加劲肋，能弥补开洞造成的承载力损失，达到未开洞时的承载能力．从图7(g)～(i)中能看出，两侧的开洞使得结构承载力降低的程度更大，但两边连接形式(RO2)不与框架柱连接，使得框架柱所受的附加弯矩和倾覆力矩的组合效应大大减弱，结构在循环加载后期，仍能保持较稳定的承载能力．延性反映了结构在结构发生较大的非线性变形时保持强度的能力，可由位移延性系数对结构的延性进行评价，位移延性系数为极限位移与屈服位移的比值．屈服位移通常可用几何作图法、等能量法和Park法进行求解[20]．本文采用等能量法求解结构的屈服位移，整体模型主要结果如表3所示．从表3中可以看出，四边连接和单侧开洞的延性系数m基本在3.45～3.79，其中多道斜加劲钢板墙(SPSW-MOS)延性最低，为3.10．两边连接形式能明显提高结构的延性，均超过4.00，其中两边连接竖向加劲(VSRO2)延性最高，达到了5.22．《钢板剪力墙技术规程》中规定了钢板剪力墙的变形限制：弹性层间位移角不宜大于1/250，弹塑性层间位移角不宜大于1/50．不同加劲形式的钢板剪力墙承载力及刚度见表4和表5．由表4可以看出，不同的加劲形式还能不同程度地提高钢板剪力墙的承载能力，其中竖向加劲钢板墙(SPSW-VS)的循环承载力峰值提高9%；小区格对角加劲钢板剪力墙(SPSW-DS)提高最为明显，循环承载力峰值提高38%；而对角加劲(DS2)和多道斜加劲(MOS)形式也有30%左右的提升，同样是优异的加劲形式．对于单侧开洞或两边连接形式，开洞率(开洞面积占整体墙面面积)分别为15%和30%，循环承载力峰值分别下降20%和44%．可以通过加劲形式提高结构承载力近弥补开洞造成的承载力损失，并且斜加劲形式比竖向加劲形式更有效，对钢板剪力墙的承载力提高更显著．由表5可以看出，非加劲钢板剪力墙(SPSW-STA)初始刚度达到了125.29kN/mm；在1/250层间位移角时，非加劲钢板剪力墙(SPSW-STA)的割线刚度达到了86.89kN/mm；在1/50层间位移角时，非加劲钢板剪力墙(SPSW-STA)的割线刚度达到了23.99kN/mm. 竖向加劲能提高约37%的初始刚度，小区格对角加劲钢板剪力墙(SPSW-DS)提高最为明显，达到64%，而对角加劲和多道斜加劲形式也有50%左右的提升．结构达到1/250层间位移角时，竖向加劲形式比非加劲形式的钢板剪力墙刚度仅高约6%，而3种斜加劲形式比非加劲形式刚度提高约34%～39%，说明在结构屈曲后，竖向加劲形式对结构刚度的提高有限，而斜向加劲形式能继续提高结构的抗侧刚度．对于单侧开洞和两边连接形式的钢板剪力墙，刚度明显低于四边连接形式，并且斜向加劲形式对刚度的提高仍然明显．结构的滞回环所包围的面积是结构吸收能量转化为非弹性变形的能量，滞回环面积越大，结构耗散的能量也就越多．模型随循环次数的增加，累积能量耗散(各循环的滞回环面积累加)如图8(a)所示，最终结构能量耗散如图8(b)所示，1层能量消耗用黑色条带表示，2层能量消耗用红色条带表示，1层能量消耗占总消耗能量用白色数字表示，黑色数字表示不同加劲形式钢板墙的总消耗能量与标准钢板墙的总消耗能量的比值，用百分数表示．从图8中可以看出，对于四边连接的钢板剪力墙，1层能量消耗占比为57%～64%，其中对角加劲形式(DS2)占比最大，竖向加劲形式(VS)占比最小；侧边开洞则减小了1层能量消耗的占比，达到53%～60%．开洞形式(RO和RO2)降低了钢板剪力墙的耗能能力，相比标准钢板剪力墙，能量消耗降低了30%～40%．通过采用加劲的形式能明显提升钢板剪力墙的耗能能力，其中小区格对角加劲形式(DS)消耗的能量提高了1.9倍，而竖向加劲形式(VS)相对于其他形式则提升较弱，但也提高了1.3倍的耗能能力．对于开洞形式的钢板剪力墙，采用加劲肋同样也能明显提升结构耗能能力，其中单侧开洞-多道斜加劲形式(MOSRO)效果最好，相比非加劲形式(RO)提高了近2倍能量消耗能力．评价结构的耗能能力一般还采用能量耗散系数来表示，即式中：表示滞回曲线面积，如图9所示(阴影填充部分)；表示虚线围成的三角形面积．能量耗散系数越大，表明滞回曲线越饱满，结构的耗能能力越强．钢板剪力墙模型的能量耗散系数如图10所示，横坐标为图9中的E、F点之间的距离变化．从图10(a)可以看出，对于四边连接形式的钢板剪力墙，设置加劲肋能有效地延缓钢板的屈曲，改善滞回曲线的“捏缩”现象，能量耗散系数都要明显地高于非加劲钢板剪力墙，其中，斜加劲钢板剪力墙的能量耗散系数随位移幅值的增大而不断增大，几乎呈线性增长，并且多道斜加劲形式(MOS)的能量耗散系数最大；而竖向加劲和非加劲形式的能量耗散系数后期增长缓慢．从图10(b)可看出，对于单侧开洞的钢板剪力墙，多道斜加劲(MOS)与对角加劲(DS)比非加劲提高约30%能量耗散系数，两种斜加劲形式的能量耗散系数变化较为接近，并且三者的变化趋势较为一致.从图10(c)能看出，两边连接形式的钢板剪力墙(RO2)的能量耗散系数要高于四边连接和单侧开洞，并且竖向加劲(VS)和对角加劲(DS)形式对两边连接钢板剪力墙能量耗散系数的提高都很明显．从图10(d)可以看出，两边连接-对角加劲形式(DSRO2)能量耗散系数最大，是标准钢板墙的1.7倍，达到了2.77；3种斜加劲形式对结构的能量耗散系数提升约40%，而竖向加劲形式仅提升17%，采用斜加劲能更有效地发挥加劲肋的作用．在循环荷载作用下，结构发生局部屈曲、塑性变形，导致承载力不断退化，等幅度循环荷载作用下结构的稳定性一般用承载力退化系数来表示，即式中：表示j倍屈服位移加载时，第i＋1次循环对应的峰值荷载；表示j倍屈服位移加载时，第i次循环对应的峰值荷载．承载力退化系数越大，表明结构承载力下降越慢，能够维持稳定的抗侧能力．结构整体承载力退化系数如图11所示．从图11中可以看出，四边连接形式的钢板墙承载力退化系数均高于0.80，其中竖向加劲和非加劲形式承载力退化系数大于0.90，抗侧能力稳定；而3种斜加劲形式的承载力在循环后期均出现严重退化，这是由于增强拉力带使得对框架柱的附加弯矩作用增大，同时在竖向荷载产生的倾覆力矩作用下，框架柱过早发生局部屈曲，不能维持较高的承载力，出现大幅的下降．钢板剪力墙模型的在往复荷载作用下的最终形态如图12所示，图中阴影表示结构在整个加载过程中受拉和受压产生的塑性应变绝对值的累积结果，即等效塑性应变(PEEQ)，塑性应变累积越大，钢材越容易发生断裂，由此可以预测钢板剪力墙结构的断裂和破坏位置(图中PEEQ值相对于单个结构本身).由图12中可以看出，所有模型的1层框架柱角部均有不同程度的屈曲变形，形成明显的塑性铰，是钢板墙结构中相对薄弱的部位．对于非加劲钢板剪力墙(STA、RO和RO2)，墙体出现明显的双向拉力带，拉力带方向约为45°，在双向拉力带交汇处的等效塑性应变PEEQ较大，钢板容易发生疲劳断裂．对于竖向加劲钢板剪力墙(VS、VSRO2)，由于槽钢加劲具有很大的抗弯刚度和抗扭刚度，将墙板分为宽高比较大的小区板，并且加劲肋作为小区格的边缘构件，使得拉力带在小区格内能够充分发展，因此该类型的钢板剪力墙的墙板等效塑性应变PEEQ分布较为均匀．对于不同形式的斜向加劲钢板剪力墙(DS、DS2、MOS和DSRO)，加劲肋将墙板分割为三角形小区块，受拉(受压)加劲肋在墙板屈曲后起到增大拉力带(或撑杆)的效果，这明显增大了对框架柱的附加弯矩，并且在竖向荷载产生的倾覆力矩作用下更进一步加重了框架柱的局部屈曲．因此在进行设计时，需要增大柱截面或使用更刚强的截面形式，如方钢管框架柱等．从另一方面考虑，斜向加劲肋对钢板剪力墙的承载力和刚度都有大幅度的提升，并且在内填钢板屈曲后参与抵抗水平力和耗能，可以考虑进一步减小内填钢板厚度，通过设置斜向加劲肋以达到较厚墙板的效果．对比DS、DS2、MOS、MOSRO可以看出，若结构的跨高比较大，则不适合采用对角加劲形式，因为它会使得加劲肋长细比较大，容易失稳发生屈曲而失去加劲效果，建议采用小区格对角加劲或多道斜向加劲形式．选取钢板剪力墙模型各部件的PEEQ最大值进行对比，如图13所示．可以看出，非加劲钢板剪力墙和竖向加劲钢板剪力墙各构件的PEEQ最大值基本小于1，受力较为均匀．而对于斜加劲形式的钢板剪力墙，内填钢板PEEQ值非常大，这是由于斜加劲肋与边缘构件留有一定的距离，因此内填板在加劲肋的两端部分在循环过程中不断发生受拉和受压，容易累积塑性变形，进而导致内填板角部的断裂．可以考虑在加劲肋端部设置垫板或其他措施以加强内填板在加劲肋端部的强度，避免影响钢板剪力墙性能的发挥.图14为钢板剪力墙结构在1/50位移角和最终时刻的钢板墙平面外变形最大值．从图中可以看出，在1/50位移角时，标准钢板墙及两边连接钢板墙的1层、2层平面外位移几乎一致，而其他类型的1层面外位移均大于2层．竖向加劲和小区格对角加劲形式对钢板的面外屈曲有很好的限制效果，都明显低于未加劲的情况．而斜加劲形式DS2、MOS和DSRO由于对框架柱的附加作用大大增加，使得柱脚过早局部屈曲，钢板墙发生较大的面外变形．不同加劲肋形式对两边连接形式(RO2)的面外变形始终有良好的限制作用，框架柱未出现严重的局部屈曲，钢板的面外位移都低于未加劲的情况．本文建立了11个双层单跨钢板剪力墙的缩尺模型，考虑了不同加劲形式以及不同的框-板连接形式(包括四边连接、单侧开洞和两边连接形式)，对模型进行了非线性有限元分析，研究了不同形式的加劲钢板剪力墙的抗震性能，得出以下结论．(1) 设置加劲肋能明显改善钢板剪力墙的“捏缩”现象，并提高结构的抗侧能力和刚度，其中竖向加劲形式在墙板屈曲后，刚度提升效果下降；而斜向加劲在屈曲后，结构仍能保持较高的刚度，是一种高效的加劲形式．(2) 两边连接形式由于不与框架柱连接，拉力带的发展受到限制，承载力和刚度有明显的下降．但该形式能提高钢板墙结构的延性，并有效地减弱钢板墙拉力带对框架柱的不利影响；通过设置加劲肋，钢板墙结构的滞回曲线呈饱满的梭形，承载力退化程度低，能量耗散系数提高，具有良好的稳定性和耗能能力．。
防屈曲耗能钢板剪力墙
防屈曲耗能钢板剪力墙在现代建筑结构设计中，安全性和稳定性始终是首要考虑的因素。
为了应对地震、强风等自然灾害以及各种复杂的荷载作用，工程师们不断探索和创新，研发出了一系列高性能的结构构件，其中防屈曲耗能钢板剪力墙就是一项重要的创新成果。
那么，什么是防屈曲耗能钢板剪力墙呢？简单来说，它是一种能够有效抵抗水平荷载，同时通过自身的变形来消耗能量的结构构件。
传统的钢板剪力墙在受到较大水平力作用时，钢板容易发生局部屈曲，从而影响其承载能力和耗能性能。
而防屈曲耗能钢板剪力墙通过在钢板两侧设置约束构件，有效地限制了钢板的屈曲，从而大大提高了其承载能力和耗能能力。
防屈曲耗能钢板剪力墙的工作原理可以这样理解。
当水平荷载作用于建筑物时，剪力墙会承受并传递这些荷载。
在这个过程中，钢板会发生变形，而这种变形能够将输入的能量转化为热能等形式进行消耗。
由于有了防屈曲的约束，钢板能够在更大的变形范围内工作，从而消耗更多的能量，减轻主体结构的损伤。
这种结构构件具有许多显著的优点。
首先，它能够提供较大的抗侧刚度，增强建筑物在水平方向上的稳定性。
这对于高层建筑和对抗震要求较高的建筑来说至关重要。
其次，其良好的耗能能力可以有效地减轻地震等灾害对建筑物的破坏，保护人员和财产的安全。
再者，防屈曲耗能钢板剪力墙的施工相对较为简便，可以在一定程度上缩短工期，降低工程成本。
在实际应用中，防屈曲耗能钢板剪力墙需要根据具体的建筑结构和设计要求进行合理的布置。
一般来说，它可以布置在建筑物的核心筒、框架结构的周边等位置，以形成有效的抗侧力体系。
同时，在设计过程中，还需要考虑钢板的厚度、约束构件的形式和参数等因素，以确保剪力墙能够发挥最佳的性能。
为了更好地了解防屈曲耗能钢板剪力墙的性能，科研人员进行了大量的试验研究。
通过模拟地震作用等加载条件，对不同参数的剪力墙进行测试，获取其承载能力、变形能力、耗能能力等关键数据。
这些试验研究为工程设计提供了重要的依据，使得防屈曲耗能钢板剪力墙在实际工程中的应用更加科学、合理。
防屈曲耗能钢板剪力墙
钢板剪力墙的工程应用 Sylmar County Hospital/6层/1971/美国加州
该建筑底部两层为钢筋混凝
土剪力墙，上部四层采用了 钢板墙结构体系，钢板厚度 16~19mm。经历了1987年 Whittier地震和1994 年 Northridge 大地震。在1994 年Northridge地震中，楼内的 记录装置显示的数据表明： 设计值的数倍。
从上世纪90年代起研制的防屈曲耗能钢板墙，目前已经开始 应用于实际工程。
Y Z X
Y
MX Z X MN
50 荷载(kN) 40
30 20 10 0 -30 -20 -10 -10 -20 -30 0 10 20 位移(mm) 30
-40 IC140 -50 IC140 滞回曲线
防屈曲钢板抗震耗能墙——低屈服点钢材的性能
* 防屈曲耗能钢板墙可根据项目实际情况进行定制设计和生产。
防屈曲钢板抗震耗能墙的简化设计模型
B e e
顶梁
b0 H
框架柱
钢 板 墙
底梁
耗能墙等效交叉支撑模型 等效参数：
• 等效支撑偏心距e
当墙与柱的距离 l ’ 700mm 时，e=50mm 当墙与柱的距离 l ’ < 700mm 时， e
墙板开圆孔以使楼 板钢筋通过
工序3： 将墙板上端与 连接板用个别 螺栓初拧固定
螺栓初拧
工序4：绑扎楼板钢筋和浇筑楼板 工序5：上部结构完工或部分完工后，将 耗能墙钢板与连接板用高强螺栓拧紧
四边连接耗能墙与框架的连接： 连接方式 焊接连接
工序1： 在顶梁下翼缘 焊连接板1
连接板1 焊缝
工序2： 将耗能墙焊在 底梁与柱上 工序3： 在顶梁下翼缘 焊连接板2
防屈曲钢板剪力墙弹塑性抗剪极限承载力与滞回性能研究
但是，依靠屈曲后形成锚固在柱和梁上的拉力 带来抵抗水平力作用，对两侧柱子产生较大的附加 弯距作用，因此柱的强度设计需要充分考虑这一不 利作用，并应使柱之弯曲刚度满足一定要求[6]，以 给内嵌钢板拉力场的发挥提供可靠的锚固作用，例 如可以采用大尺寸的钢管混凝土柱作为墙板的边 柱。另外，试验表明，非加劲钢板墙在水平荷载作 用下会伴随着较大屈曲声响和面外变形，尽管不会 危及结构的安全，但容易造成人的恐惧心理，舒适 度不好。
防屈曲钢板剪力墙几何模型如图 1 所示。模型 由周边框架、内嵌钢板和位于钢板两侧的钢筋混凝 土盖板等 3 部分构成。内嵌钢板为净尺寸 3m×3m 的方形板。
图 1 防屈曲钢板墙几何模型 Fig.1 Analysis model of the BR-SPW
内嵌钢板采用三折线本构模型，并考虑包辛格 效应的影响，弹性模量 E = 2.06 ×105 MPa，屈服应
组合钢板墙以及 Astaneh-Asl[7]等提出的“改进” 型组合墙，把混凝土板和钢板整浇在一起，改善了 内嵌钢板的受力，消除了钢板屈曲时产生的声响和 面外变形，但混凝土板在荷载作用初期就因参与抗 侧而出现拉裂缝，随后不断扩展；抗剪栓钉周围的 混凝土也由于多次往复荷载的作用而被压碎；另 外，混凝土板在边角处也容易与钢板脱离。这样， 最终会导致混凝土板严重破碎，甚至与内嵌钢板完 全脱开。丧失了混凝土板的面外保护作用，内嵌钢 板又会如普通钢板墙一样，不但有巨大的声响，同 时结构性能也随之降低。
外包钢板混凝土组合剪力墙性能研究
外包钢板混凝土组合剪力墙性能研究钢板混凝土组合剪力墙是一种新型的结构体系，由钢板和混凝土组成。
它具有优异的抗震性能和承载能力，得到了广泛的应用。
本文将对外包钢板混凝土组合剪力墙的性能进行研究，并讨论其应用前景。
外包钢板混凝土组合剪力墙是一种由钢板外包的混凝土剪力墙。
在传统的混凝土剪力墙结构中，钢筋起到了主要的承载作用，而混凝土的作用仅限于在正常情况下充当压力层。
然而，在地震作用下，由于混凝土的脆弱性，一旦混凝土破坏，整个结构很容易崩塌。
而外包钢板混凝土组合剪力墙则通过在混凝土外包一层钢板，将钢板的韧性和混凝土的承载能力相结合，从而提高了结构的整体性能。
首先，外包钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能显著提高。
在地震荷载作用下，钢板的弹塑性变形能够有效地吸收地震能量，减小了结构的动态响应，大大提高了结构的抗震能力。
而混凝土的存在则保证了结构的刚度，使得墙体更加稳定。
因此，外包钢板混凝土组合剪力墙能够在地震中保持相对较小的位移和较高的稳定性。
其次，外包钢板混凝土组合剪力墙的承载能力较高。
由于钢板的存在，墙体的强度和刚度得到了显著提高。
钢板可以承担大部分的水平力和剪力，减小了混凝土的受力范围，从而减小了混凝土墙体的厚度。
由于减小了墙体的厚度，可以使得建筑的使用面积增加。
另外，钢板的加入还能改善混凝土的工作性能，使得混凝土的耐久性也得到了提高。
最后，外包钢板混凝土组合剪力墙具有较好的施工性能和经济性。
与传统的混凝土剪力墙相比，外包钢板混凝土组合剪力墙的施工过程相对简单，且可扩展性强。
由于混凝土墙体的厚度较小，施工成本也相对较低。
此外，外包钢板混凝土组合剪力墙还能够回收利用，减少了资源的浪费。
综上所述，外包钢板混凝土组合剪力墙具有优异的抗震性能和承载能力，广阔的应用前景。
未来的研究可以进一步探索其在不同结构体系中的应用，优化其结构和性能，促进其在工程领域的推广应用。
竖缝钢板剪力墙抗震性能研究综述
建筑技术・Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ150 大陆桥视野·２０１６年第１４期前言地震是人类始终要面临的最为严重的自然灾害之一，抗震减灾研究已成为关系到国家财产和人民安全的大事。
我国是一个地震多发国家，地震发生区域广阔而分散，地震强度大，震源深度浅，而且发生频繁，地震对国家和人民都带来了严重的影响［１］。
因此，工程结构的抗震问题在国民经济的建设中便显得尤为重要。
钢结构由于自重轻、结构性能好、施工速度快等原因已成为高层以及超高层建筑的主要结构体系，但高层及超高层建筑受水平地震荷载和风荷载的作用比较严重，为了既满足建筑物在风载及常遇地震下人们舒适性和安全感的要求，又保证地震时建筑物具有柔性的特点。
因此期望研究出一种在正常使用时刚度大，当遇到强烈地震作用时可吸收地震能量，而且在刚度又较低的新型抗震结构。
由于钢结构自身的抗侧刚度，因此研究各种抗侧力构件已经成为钢结构研究中的一个重要课题。
一、国内研究现状及分析国内学者对剪力墙的研究，相对起步比较晚。
同济大学、清华大学、天津大学、北京工业大学、东南大学、西安建筑科技大学等单位做了很多研究工作。
由于传统现浇钢筋混凝土剪力墙结构自重大、刚度大、地震作用大、延性差并且以受剪破坏为主，在发生强震时容易产生脆性破坏等诸多缺点，为此，不少学者又开始研究改善剪力墙抗震性能的措施。
我国对带竖缝钢板剪力墙的研究目前还处于初级阶段，国内对钢板剪力墙的系统研究也比较少。
同济大学李国强［２］等进行过钢板外包混凝土剪力墙板的低周反复荷载模型试验得出，钢板剪力墙经混凝土外包以后具有很大的刚度和承载力，并且有很好的延性，但由于混凝土的施工周期长，严重影响了钢结构的施工工期。
清华大学郭彦林，陈国栋等［３－５］对薄钢板剪力墙和设置十字型加劲肋的钢板剪力墙进行过抗剪承载力研究，提出了薄钢板剪力墙和设置十字加劲肋钢板剪力墙抗剪承载力的简化设计公式。
河北省地震工程研究中心［６］对在混凝土框架中使用的薄钢板剪力墙进行了试验，试验表明薄钢板剪力墙可用于地震地区既有建筑的加固或者作为新建筑的抗侧力体系，建议钢板的高厚比宜大于 ８００。
钢板剪力墙抗震性能研究综述
钢板剪力墙抗震性能研究综述摘要：本文介绍了一种新型高层钢结构抗侧力构件-钢板剪力墙。
对不同形式的钢板剪力墙进行了分类，并对它们的工作性能分别加以了说明和评价。
结合两边连接的连接形式以及竖向加劲的方式的优点,本文提出了一种新型钢板剪力墙-两边连接竖向加劲式钢板剪力墙。
关键词：钢板剪力墙两边连接抗震性能Seismic Performance of Steel Plate Shear WallAbstract:As a new lateral force resisting member adopted in high-rising steel building, steel plate shear wall (SPSW) was presented. Mechanical performance of SPSW with different details was discussed. Beam-connecting SPSW stiffened with vertical ribs was proposed, considering the merits of beam-connecting style and stiffening with vertical ribs style.Keywords: steel plate shear wall (SPSW), beam-connecting, seismic performance1. 引言钢板剪力墙结构单元由内嵌钢板及边缘构件(梁、柱)组成。
钢板与梁、柱构件通过连接板采用焊接或者螺栓连接。
它具有相对较大的初始刚度，能够有效地控制结构在地震下的侧向位移，并且自身具有良好的延性和相对优越的耗能能力。
钢板墙自重轻，相比混凝土剪力墙降低了对基础的负担。
钢板墙墙体结构厚度薄，为建筑提供了更多的使用空间，是一种有效的新型抗侧力构件。
当钢板墙沿结构某跨连续布置时即形成钢板墙体系。
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带缝钢板剪力墙滞回性能和耗能能力分析
发表时间：
2018-11-16T20:53:45.767Z 来源：《基层建设》2018年第28期 作者： 贺有丰1 袁朝庆2
[导读] 摘要：选择30种单榀单跨带缝钢板剪力墙结构单元在水平正弦周期往复荷载作用下进行受力性能分析，总结开缝设计参数比W/H、
b/t对带缝钢板剪力墙的滞回性能和耗能能力分析。
1.
中铝东南铜业有限公司 福建省宁德 352106
2.
大庆石油学院 土木建筑工程学院 黑龙江大庆 163318
摘要：选择30种单榀单跨带缝钢板剪力墙结构单元在水平正弦周期往复荷载作用下进行受力性能分析，总结开缝设计参数比W/H、b/t
对带缝钢板剪力墙的滞回性能和耗能能力分析。结果表明：随着
W/H增大，带缝钢板剪力墙单元的滞回环面积增大，滞回性能变好，耗能
能力增强；随着
b/t的增大，带缝钢板剪力墙单元的滞回环面积减小，滞回性能变差，耗能能力降低。
关键词：带缝钢板剪力墙，滞回性能，耗能能力
1.
模型的建立
本文选用的带缝钢板剪力墙厚度t=8mm~16mm，狭缝段数m=2。为了书写简便，带缝钢板剪力墙用字母用P代替。（W：板宽度，
H
：板高度，b：墙肢宽度，h：墙肢高度，hu：上壁高，hd：下壁高，hm：中间壁高）。选取SHELL 181建立带缝钢板剪力墙的计算模
型。
2.
受力性能分析
2.1
钢材的本构关系及加载机制
钢材的本构关系及加载机制同参考文献4
2.2
模型选取与计算
模型选取类型与计算要求同参考文献4
2.3
参数比W/H、b/t对破坏位移的影响
带缝钢板剪力墙单元的破坏位移整体较大，一般在53mm以上，说明带缝钢板剪力墙单元的延性好，符合罕遇地震作用下对构件延性
的要求。图
5是6种不同带缝钢板剪力墙单元在相同板宽不同板厚下的破坏位移变化图，图6是6种不同带缝钢板剪力墙单元在相同厚度不同
板宽下的破坏位移变化图。
图1 不同t下的破坏位移变化 图2 不同W下的破坏位移变化
从图1可以看出随着板宽的增大（W/H增大），各种不同厚度带缝钢板剪力墙单元的破坏位移整体呈下降势头，尤其是板厚从1430mm
增加到
2070mm这过程中下降最快，有20mm的落差。从图2中随着板厚的增大（b/t减小）各种不同宽度带缝钢板剪力墙单元的破坏位移基
本不变，保持较好的稳定性。说明：板厚增大对破坏位移（
b/t减小）要比板宽增大（W/H增大）对破坏位移的影响小得多，性能较稳定。
2.5
参数比W/H、b/t对滞回性能的影响
图4 W=4630mm板滞回曲线
从图3可以发现带缝钢板剪力墙单元滞回曲线饱满且成梭形，耗能能力好。同时也可以看出设计参数W/H、b/t对带缝钢板剪力墙单元
的滞回性能影响大。从图
4可以看出在同一板厚下随着板宽的增大（W/H增大），带缝钢板剪力墙单元的滞回性能变好，滞回环面积逐渐增
大，耗能能力逐渐增强。同时还可以看出，
W=1430mm时，延性最好。从图3和图4可以看出在同一板宽下随着板厚的增大（b/t减小）带缝
钢板剪力墙单元的滞回性能变好，逐渐增大，耗能能力逐渐增强。总的说来，随着板宽和板厚的同时增大，滞回环面积增加越快，滞回性
能越好，耗能能力越强。
3.
试验验证
根据文献（4）的试验构件B102-1，采用本文的有限元方法进行模拟，将得到的理论数据与试验数据进行对比。
3.1
结构数据对比
试验数据与有限元数据列于表1中。
表1 B102-1 数据对比
从表2中可以看出试验数据与有限元数据比较吻合，基本上保持在10%以内。
3.2
滞回曲线对比
图5为实验滞回曲线，图6为有限元滞回曲线。结合图5和图6可以看出试验滞回曲线和有限元滞回曲线形状基本相似，区别在于试验构
件的滞回环要比有限元得出的滞回环的圆滑一些。有限元得出的滞回环外形接近平行四边形。这主要是由于有限元所选用的本构关系是双
线性的，与构件本身的本构关系有一定的区别造成的。
图5试件B102-1试验滞回曲线 图6 试件B102-1有限元滞回曲线
上述带缝钢板剪力墙结构单元试验构件的试验数据与有限元数据以及试验构件B102-1的试验滞回曲线与有限元滞回曲线的对比分析表
明。本文采用的有限元
SHELL181单元和有限元方法来研究带缝钢板剪力墙单元是可行的。
4.
结论
（1）在其他开缝设计参数一定时，W/H增大带缝钢板剪力墙的滞回环面积增大，滞回性能变好，耗能能力增强。
（2）在其他开缝设计参数一定时，随着b/t增大带缝钢板剪力墙的滞回环面积减小，滞回性能变差，耗能能力降低。
参考文献：
[1]
陈国栋，郭彦林，等.钢板剪力墙低周反复荷载试验研究[J].建筑结构学报，2004，25（2）：19～26.
[2]Toko Hitaka
，Chiaki Mastsui.Experimental of Study on Steel Shear Wall with Slits[J]..Journal of Structural Engineering，2003，
129
（5）：586-594.
[3]
魏德敏，温沛纲等.新型带缝钢板剪力墙的试验研究及其数值模拟[J].地震工程与工程振动，2006，26（1）：129～133.
[4]
贺有丰，袁朝庆 带缝钢板剪力墙的侧移刚度和承载能力分析[J].防护工程，2018年22期
作者简介：
贺有丰（1980-），男，湖南省双峰县人，工程师，主要从事结构工程方向的研究。