蜂窩鋼板剪力墻地震響應(yīng)分析

袁朝慶，王義熒,劉　彥

(1.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318)

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蜂窩鋼板剪力墻地震響應(yīng)分析

袁朝慶1,2，王義熒1,2,劉彥1,2

(1.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318)

為了提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，應(yīng)用有限元軟件ADINA，建立一個(gè)十二層鋼框架模型和兩個(gè)不同高厚比下的蜂窩鋼板剪力墻模型，研究其在8度多遇地震和罕遇地震作用下的加速度時(shí)程曲線、最大頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線以及樓層最大側(cè)移和最大層間位移角響應(yīng)。選取EL-Centro、Taft和人工三種波比較分析，結(jié)果表明：十二層鋼框架和不同高厚比下的蜂窩鋼板剪力墻，在罕遇地震波作用下的響應(yīng)比多遇地震波作用下的響應(yīng)強(qiáng)烈；在地震波作用下三種結(jié)構(gòu)均未發(fā)生破壞，蜂窩鋼板剪力墻的最大層間位移角小于鋼框架結(jié)構(gòu)，具有更好的抗震性能。

蜂窩鋼板剪力墻； 地震響應(yīng)； 時(shí)程分析

隨著鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)在抗震中表現(xiàn)出良好的抗震性能，成為一種新型抗側(cè)力體系[1]。目前，我國學(xué)者正致力于研究新型的建筑結(jié)構(gòu)形式，如帶縫鋼板剪力墻和開洞鋼板剪力墻[2-3]，通過降低鋼板的剛度來增加其延性，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。筆者旨在研究蜂窩鋼板剪力墻(即在鋼板上開圓孔或六邊形孔)的抗震性能。蜂窩鋼板剪力墻與普通鋼板剪力墻相比，除延性好、自重小以及施工方便等外，還方便調(diào)整鋼板剪力墻的外圍尺寸和開孔形式，用鋼量有所降低。因此，文中對(duì)蜂窩鋼板剪力墻地震響應(yīng)作了分析研究。

1　有限元方法與驗(yàn)證

1.1有限元方法

選擇文獻(xiàn)[4]中的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用有限元分析軟件ADINA模擬實(shí)驗(yàn)中的鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)在低周往復(fù)荷載作用下的抗震性能。鋼填充板、鋼框架梁和鋼框架柱均采用殼單元模擬。有限元模型各部分的材料屬性和實(shí)常數(shù)根據(jù)試件的材性實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及試件各部分板件的實(shí)際厚度確定,材料模型選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)模型，運(yùn)用 Full Newton-Raphson迭代法求解非線性方程組，材料采用Mises屈服準(zhǔn)則。研究有限元模型在循環(huán)荷載作用下的抗震性能，其加載采用實(shí)驗(yàn)加載制度。

1.2實(shí)驗(yàn)與理論數(shù)據(jù)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)和有限元模擬得到的滯回曲線[5]，見圖1。由圖1可見，有限元模擬鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)所得滯回曲線趨勢相似，滯回曲線飽滿，說明結(jié)構(gòu)具有良好的滯回性能。將得到的有限元數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[4]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)[6]ABAQUS模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

圖1　ADINA滯回曲線

數(shù)值抗側(cè)剛度/kN·mm-1極限承載力/kN文獻(xiàn)[4]實(shí)驗(yàn)值1151770文獻(xiàn)[6]模擬值1421975有限元模擬值1462130

從表1可以看出，ADINA有限元模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，抗側(cè)剛度偏高26.08%，承載力偏高20.33%。這可能是由于有限元模型上施加的約束強(qiáng)于實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際約束；有限元模型定義的材料為理想材料，沒有考慮初始缺陷和材料缺陷等。有限元模擬值與文獻(xiàn)[6]中模擬值的抗側(cè)剛度和極限承載力誤差相差不大，分別為2.8%和4.2%。說明采用ADINA有限元軟件對(duì)鋼板剪力結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能模擬的方法可行。

2　蜂窩鋼板剪力墻地震響應(yīng)分析

2.1有限元計(jì)算模型

采用殼單元建立十二層蜂窩鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)和鋼框架結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖2a和2b 所示。填充鋼板與鋼框架完全固結(jié)，模型底端固定，上端只約束平面外位移，左右兩邊自由。鋼填充板的屈服強(qiáng)度為235 MPa,鋼框架的屈服強(qiáng)度為345 MPa,其彈性模量均為206 GPa，泊松比均為0.3，鋼框架梁、柱分別為型鋼Q345H 250 mm×125 mm×6 mm×9 mm和型鋼Q345H 200 mm×200 mm×8 mm×12 mm[7]。內(nèi)填鋼板長2.7 m，高2.6 m。開孔形式為直徑200 mm的圓孔，開孔率為7.6%，圓孔布置方式見圖2c。

對(duì)比分析十二層蜂窩鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)和鋼框架結(jié)構(gòu)在8度多遇和罕遇地震作用下的受力性能，研究地震波對(duì)結(jié)構(gòu)最大加速度、最大位移和層間位移角的影響。蜂窩鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的高厚比分別取200和400。以符號(hào)A代表高厚比為400的蜂窩鋼板剪力墻，符號(hào)B代表高厚比為200的蜂窩鋼板剪力墻，F(xiàn)rame代表鋼框架結(jié)構(gòu)。

a　蜂窩鋼板剪力墻　b　鋼框架　　　　c　圓孔布置方式

2.2地震波的選取

按照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]的規(guī)定，以及地震波的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄，選取EL-Centro波、人工波和Taft波作為輸入地震波，II類場地詳見圖3，三種地震波時(shí)間間隔為0.02 s，持時(shí)10 s，加速度a峰值依次為3.417、1.960和1.527 m/s2。規(guī)范規(guī)定，8度多遇地震下的地震加速度時(shí)程最大值為70(110) cm/s2，罕遇地震下的地震加速度時(shí)程最大值為400(510) cm/s2，括號(hào)內(nèi)數(shù)值分別用于設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g和0.30g的地區(qū)。在進(jìn)行抗震性能分析時(shí)，需要對(duì)文中選取的三種地震波幅值按地震波輸入要求進(jìn)行調(diào)整。

a　EL-Centro波

b　Taft波

c　人工波

2.3多遇地震下蜂窩鋼板剪力墻地震響應(yīng)分析

2.3.1加速度時(shí)程分析

三種結(jié)構(gòu)在三種多遇地震波作用下的頂點(diǎn)最大加速度時(shí)程曲線,如圖4所示。

a　EL-Centro波

b　Taft波

圖4　不同地震波作用下的頂點(diǎn)絕對(duì)最大加速度值

Fig.4Acceleration time history curves under different seismic waves

從圖4可以看出，三種結(jié)構(gòu)在同一種地震波作用下的加速度時(shí)程曲線變化趨勢和所輸入的地震波變化趨勢基本保持一致；A、B和Frame的頂點(diǎn)最大加速度放大系數(shù)在EL-Centro波作用下分別為2.9、3.5和1.6，在Taft波作用下分別為3.0、3.7和1.2；在人工波作用下分別為1.3、1.36和1.03。A和B結(jié)構(gòu)的放大系數(shù)均比Frame結(jié)構(gòu)放大系數(shù)大，A與B相比，在EL-Centro波、Taft波以及人工波作用下，A的放大系數(shù)依次是B的0.83倍、0.81倍和0.96倍，這主要是由于鑲嵌了蜂窩鋼板使框架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量增大，從而使地震加速度響應(yīng)增大，而A的內(nèi)嵌鋼板較B薄，質(zhì)量較小，所以地震加速度響應(yīng)較小。

2.3.2位移時(shí)程分析

結(jié)構(gòu)在三種多遇地震波作用下頂點(diǎn)最大位移sdmax時(shí)程曲線，如圖5所示。

a　EL-Centro波

b　Taft波

圖5　不同地震波作用下的頂點(diǎn)最大位移時(shí)程曲線

Fig.5Maximum vertex displacement curves under different seismic waves

由圖5可見，蜂窩鋼板剪力墻在同一種地震波作用下的頂點(diǎn)最大位移時(shí)程曲線變化趨勢基本保持一致，鋼框架位移峰值的延時(shí)現(xiàn)象較為明顯，其最大位移出現(xiàn)的時(shí)刻明顯晚于蜂窩鋼板剪力墻。在EL-Centro波作用下，A、B的頂點(diǎn)位移峰值分別約為Frame的0.61倍和0.58倍;在Taft波作用下，分別約為0.81倍和0.69倍;在人工波作用下，分別約為0.94倍和0.81倍。在EL-Centro波、Taft波以及人工波作用下，A的頂點(diǎn)位移峰值依次是B的1.05倍、1.17倍和1.16倍。A和B的最大頂點(diǎn)位移均小于Frame，且A的最大頂點(diǎn)位移略大于B，這主要是由于蜂窩鋼板的存在使框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度提高，而B的蜂窩鋼板較A厚，抗側(cè)剛度更高，能夠降低結(jié)構(gòu)最大頂點(diǎn)位移。

2.3.3層間位移角

結(jié)構(gòu)在三種多遇地震波作用下的樓層最大側(cè)向位移slmax和樓層最大側(cè)向位移角γ分別如圖6和圖7所示。

a　EL-Centro波

b　Taft波

c　人工波

Fig.6Maximum lateral displacement under different seismic waves

從圖6可以看出，蜂窩鋼板剪力墻最大側(cè)向位移比鋼框架減小很多，在EL-Centro波作用下，A、B的最大側(cè)向位移分別約為Frame的0.61倍和0.58倍；在Taft波作用下，分別約為0.81倍和0.69倍；在人工波作用下，分別約為0.94倍和0.81倍。在EL-Centro波、Taft波以及人工波作用下，A的最大側(cè)向位移依次是B的1.05倍、1.17倍和1.16倍。

a　EL-Centro波

b　Taft波

c　人工波

Fig.7Maximum story drift under different seismic waves

由圖7可以看出，F(xiàn)rame的最大層間位移角出現(xiàn)在中下層，A和B的層間位移角自底層到頂層越來越大，增幅逐漸減小，最大值均出現(xiàn)在頂層。在EL-Centro波、Taft波和人工波作用下，F(xiàn)rame的最大層間位移角分別為1/283、1/629和1/1 209，分別出現(xiàn)在第四層、第五層和第四層，A的最大層間位移角分別為1/565、1/719和1/1723，B的最大層間位移角分別為1/599、1/862和1/1 946，三種結(jié)構(gòu)的樓層最大側(cè)向位移角均滿足抗震規(guī)范[8]彈性層間位移角限值1/250的規(guī)定。蜂窩鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的變形主要為剪切和彎曲變形，而蜂窩鋼板使鋼框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度得到大幅度提高，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移和層間位移角顯著減小。在EL-Centro波、Taft波以及人工波作用下，A的層間位移角依次是B的1.06倍、1.20倍和1.13倍，這主要是因?yàn)锽的抗側(cè)剛度大于A，故其側(cè)向位移和層間位移角較A小。

2.4罕遇地震下蜂窩鋼板剪力墻地震響應(yīng)分析

2.4.1加速度時(shí)程分析

三種結(jié)構(gòu)在三種罕遇地震波作用下的頂點(diǎn)最大加速度時(shí)程曲線，如圖8所示。

a　EL-Centro波

b　Taft波

圖8　不同波作用下頂點(diǎn)最大加速度時(shí)程曲線

Fig.8Acceleration time history curves under different seismic waves

由圖8可以看出，A、B和Frame在罕遇地震作用下的頂點(diǎn)最大加速度時(shí)程曲線與在多遇地震下的相應(yīng)時(shí)程曲線變化規(guī)律類似，但是由于輸入的地震波加速度峰值增大，加速度響應(yīng)較多遇地震作用下更強(qiáng)烈。A、B和Frame的頂點(diǎn)最大加速度放大系數(shù)在EL-Centro波作用下分別為2.8、3.1和1.6；在Taft波作用下分別為2.9、3.55和1.5；在人工波作用下分別為1.35、1.47和1.03。A與B相比，在EL-Centro波、Taft波以及人工波作用下，A的放大系數(shù)依次是B的0.90倍、0.82倍和0.92倍。

2.4.2位移時(shí)程分析

結(jié)構(gòu)在三種罕遇地震波作用下的頂點(diǎn)最大位移smax時(shí)程曲線,如圖9所示。

a　EL-Centro波

b　Taft波

圖9　不同波作用頂點(diǎn)最大位移時(shí)程曲線

Fig.9Maximum vertex displacement curves under different seismic waves

由圖9可見，A、B和Frame在罕遇地震作用下的頂點(diǎn)最大位移時(shí)程曲線與在多遇地震下的相應(yīng)時(shí)程曲線變化規(guī)律類似，但是由于輸入的地震波位移峰值增大，位移響應(yīng)較多遇地震作用下更強(qiáng)烈。在EL-Centro波作用下，A、B的頂點(diǎn)位移峰值分別約為Frame的0.59倍和0.51倍；在Taft波作用下，分別約為0.83倍和0.71倍；在人工波作用下，分別約為0.87倍和0.74倍。在EL-Centro波、Taft波以及人工波作用下，A的頂點(diǎn)位移峰值依次是B的1.16倍、1.17倍和1.18倍。

2.4.3層間位移角

結(jié)構(gòu)在三種多遇地震波作用下的樓層最大側(cè)向位移和樓層最大側(cè)向位移角分別如圖10和圖11所示。

a　EL-Centro波

b　Taft波

c　人工波

Fig.10Maximum lateral displacement under different seismic waves

由圖10可以看出，A、B和Frame在罕遇地震作用下的最大層間位移和最大層間側(cè)移角，與在多遇地震下的相應(yīng)的變化規(guī)律類似，但是由于輸入的地震波位移峰值增大，最大層間位移和最大層間側(cè)移角響應(yīng)較多遇地震作用下更強(qiáng)烈。在EL-Centro波作用下，A、B的最大側(cè)向位移分別約為Frame的0.59倍和0.51倍，在Taft波作用下，分別約為0.83倍和0.71倍，在人工波作用下，分別約為0.87倍和0.74倍。在EL-Centro波、Taft波以及人工波作用下，A的最大層間位移依次是B的1.16倍、1.17倍和1.18倍。

a　EL-Centro波

b　Taft波

c　人工波

Fig.11Maximum story drift under different seismic waves

由圖11可以看出，在EL-Centro波、Taft波和人工波作用下，F(xiàn)rame的最大層間位移角分別為1/75、1/106和1/282，分別出現(xiàn)在第五層、第六層和第三層，A的最大層間位移角分別為1/107、1/133和1/316，B的最大層間位移角分別為1/127、1/136和1/365。三種結(jié)構(gòu)的樓層最大側(cè)向位移角均滿足抗震規(guī)范[8]彈塑性層間位移角限值1/50的規(guī)定。在EL-Centro波、Taft波以及人工波作用下，A的層間位移角依次是B的1.19倍、1.02倍和1.16倍。

3　結(jié)　論

對(duì)十二層鋼框架和不同高厚比下的蜂窩鋼板剪力墻，進(jìn)行8度多遇地震和罕遇地震作用下的抗震性能分析，得出以下結(jié)論：

(1)同一種結(jié)構(gòu)在同等烈度罕遇地震作用下的地震響應(yīng)曲線的變化趨勢，類似于相應(yīng)多遇地震作用下的地震響應(yīng)曲線，但在罕遇地震作用下的地震響應(yīng)均大于在多遇地震作用下的地震響應(yīng)。

(2)在同一種地震波作用下，蜂窩鋼板剪力墻中的最大加速度響應(yīng)大于鋼框架的最大加速度響應(yīng)，而最大頂點(diǎn)位移、最大樓層位移和最大層間位移角均小于鋼框架。

(3)在同一種地震波作用下，蜂窩鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的高厚比越大，最大加速度響應(yīng)越小，而最大頂點(diǎn)位移、最大樓層位移和最大層間位移角越大，在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的高厚比以降低地震對(duì)結(jié)構(gòu)的損壞程度。

(4)同一種結(jié)構(gòu)在不同的地震波作用下的地震響應(yīng)不同，說明震害與地震波的波形有關(guān)。

(5)三種結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的最大層間位移角均未超過結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角1/50的限值，說明結(jié)構(gòu)均未發(fā)生破壞，但是蜂窩鋼板剪力墻的最大層間位移角小于鋼框架，說明蜂窩鋼板剪力墻的抗震性能更好。

致謝：

該研究得到了東北石油大學(xué)研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目(YJSCX2015-035NEPU)的資助。

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[2]袁朝慶，劉彥，王義熒．鋼框架-帶縫鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能研究[J]．工程抗震與加固改造，2016，38(2)：25-31．

[3]王先鐵，賈貴強(qiáng)，周超，等．方鋼管混凝土框架-中間開洞薄鋼板剪力墻抗側(cè)承載力研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2015，36(S1)：67-73．

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[6]VIAN D,BRUNEAU M,TSAI K C,et al.Special perforated steel plate shear walls with reduced beam section anchor beams.II:Analysis and Design Recommendations[J].Struct Eng,2009，135(3)：221-230.

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[8]GB 50011—2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

(編輯徐巖)

Investigation to seismic performance of honeycomb shaped steel plate shear wall

YUAN Zhaoqing1,2，WANG Yiying1,2,LIU Yan1,2

(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)

This paper seeks to meet the safety and economic needs and improve the seismic capacity of the structures.The research does this by using the finite element software ADINA to establish a twelve-storey steel frame model and two honeycomb steel plate shear wall models with different ratios of height to thickness;thereby studying the acceleration time history curve,the maximum vertex displacement curve,maximum lateral displacement and the maximum story drift of above models under the 8 degree frequent earthquake and rare case;and providing a comparative analysis under three earthquake waves,namely,EL-centro,Taft and artificial wave.The analysis shows that the responses are stronger for twelve-storey steel frame and two honeycomb steel plate shear wall with different ratios of height to thickness under the rare earthquake than for under frequent earthquake;and the better seismic performance is validated by the absence of destruction in these three structures exposed to earthquakes,leaving the maximum story drift of honeycomb steel plate shear wall smaller than that of steel frame structure.

honeycomb shaped steel plate shear wall； seismic response； time history analysis

2016-04-09

袁朝慶(1970-)，男，黑龍江省依安人，教授，博士，研究方向：工程結(jié)構(gòu)抗震，E-mail：yvq@sina.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.03.009

TU398

2095-7262(2016)03-0277-07

A