柱剛度對(duì)蜂窩鋼板剪力墻抗震性能的影響

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；

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柱剛度對(duì)蜂窩鋼板剪力墻抗震性能的影響

袁朝慶1,2， 王義熒1,2, 劉 彥3

(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；

3.天津安裝工程有限公司， 天津 300061)

為了研究柱剛度對(duì)鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻抗震性能的影響，應(yīng)用有限元軟件ADINA建立五個(gè)具有不同柱截面尺寸的單層鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻計(jì)算模型，分析其在水平往復(fù)荷載作用下的抗震性能。在單層計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，選取三組模型建立三個(gè)不同柱剛度的12層鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型，研究其在9度罕遇地震作用下的地震響應(yīng)。結(jié)果表明：隨著柱剛度的增大，單層鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻的滯回性能、能量耗散系數(shù)和抗側(cè)剛度均逐漸增加；三種不同柱截面尺寸的12層鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)在9度罕遇地震作用下的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，結(jié)構(gòu)均未發(fā)生破壞，抗震性能良好。

蜂窩鋼板剪力墻； 地震響應(yīng)； 柱剛度

0 引 言

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，因而成為一種新型抗側(cè)力體系[1-2]。目前，我國(guó)學(xué)者致力于研究新型建筑結(jié)構(gòu)形式，如帶縫鋼板剪力墻和開洞鋼板剪力墻[3-5]，旨在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。鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻通過在內(nèi)嵌鋼板上開設(shè)蜂窩形排列的孔以達(dá)到結(jié)構(gòu)耗能的目的。以往對(duì)帶縫鋼板剪力墻、開洞鋼板剪力墻及蜂窩鋼板剪力墻的性能分析，多采用實(shí)驗(yàn)方法和有限元分析法。為證明有限元分析方法對(duì)蜂窩鋼板剪力墻性能分析的可行性，文獻(xiàn)[6]建立了與文獻(xiàn)[7]中實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗤目蚣?開孔鋼板剪力墻有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行了性能分析，有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。為此，筆者利用有限元軟件ADINA建立鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻有限元模型，并通過改變模型中框架柱的截面尺寸研究柱剛度對(duì)其抗震性能的影響。

1 模型建立與地震波選取

1.1 模型建立

1.1.1 單層蜂窩鋼板剪力墻

填充鋼板采用Q235鋼材，鋼框架采用Q345鋼材，其彈性模量均為206 GPa，泊松比均定義為0.3，鋼材本構(gòu)關(guān)系采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型。填充鋼板的開孔率取為7.6%，高厚比均為200，軸壓比均為0.2。為了滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)要求，鋼框架梁采用Q345H250 mm×125 mm×6 mm×9 mm的型鋼，鋼框架柱分別采用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的型鋼，依次用B、B1、B2、B3、B4來表示，有限元模型如圖1a所示。B1、B2、B3、B4的截面慣性矩依次是B的2.29、4.32、14.18和14.42倍，而截面面積依次是B的1.45、1.88、3.46和2.45倍。鋼填充板單元與鋼框架完全固結(jié)，結(jié)構(gòu)下端全部固定，上端只約束平面外位移，左右兩邊均自由。將各個(gè)面劃分為長(zhǎng)度相等的不同份數(shù)，孔周圍每份劃分長(zhǎng)度為0.02 m，而其余的長(zhǎng)度均為0.05 m。

1.1.2 12層蜂窩鋼板剪力墻

a 單層蜂窩鋼板 b 12層蜂窩鋼板

1.2 往復(fù)荷載與地震波選取

在單層蜂窩鋼板剪力墻上施加的往復(fù)荷載如圖2所示。

圖2 加載制度

文中選取EL-Centro波、人工波和Taft波(II類場(chǎng)地)作為12層蜂窩鋼板剪力墻的輸入地震波，如圖3所示，時(shí)間間隔為0.02 s，持續(xù)時(shí)間為10 s，峰值加速度依次為3.417、1.960和1.527 m/s2。9度罕遇地震下的地震加速度峰值為620 cm/s2。分析時(shí)，需要按地震波輸入要求對(duì)文中選取的三種地震波幅值進(jìn)行調(diào)整。

2 單層蜂窩鋼板剪力墻的滯回性能

單層鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻滯回曲線、能量耗散系數(shù)、骨架曲線分別如圖4～6所示，其中F為底部剪力，Sd為頂點(diǎn)位移。

a EL-Centro波

b Taft波

c 人工波

圖4 滯回曲線

由圖4可知，在同一水平位移荷載作用下，隨著柱截面慣性矩的逐漸增大，柱對(duì)內(nèi)嵌鋼板的約束增強(qiáng)，鋼板剛度有少許提高，鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)滯回環(huán)所包圍的面積逐漸增大，并且結(jié)構(gòu)捏縮現(xiàn)象逐漸減弱。

圖5 能量耗散系數(shù)

由圖5可知，隨著柱剛度的增大，結(jié)構(gòu)的能量耗散系數(shù)逐漸增大，且隨著位移荷載的增大而增大。當(dāng)位移荷載為15 mm時(shí)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，在15 mm前，能量耗散系數(shù)隨著位移增大增速較快；在15 mm后，B1、B2、B3、B4的能量耗散系數(shù)依次是B的1.04、1.08、1.28和1.32倍，能量耗散系數(shù)隨著位移增大增速較慢；當(dāng)位移荷載達(dá)到52 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)均發(fā)生破壞，此時(shí)，B1、B2、B3、B4的能量耗散系數(shù)依次達(dá)到B的1.03、1.04、1.22和1.29倍。

圖6 骨架曲線

由圖6可知，隨著柱剛度的增大，結(jié)構(gòu)的承載力逐漸增大，在位移荷載小于5 mm之前呈線性，當(dāng)位移荷載達(dá)到8 mm后，承載力基本穩(wěn)定，但B、B3和B4在15 mm之后呈現(xiàn)出下降走勢(shì)，且B的承載力下降較為明顯，B3和B4的承載力相差不大，但是B4的截面面積是B3的0.71倍，更符合經(jīng)濟(jì)性。

由以上分析可知，在同一水平位移荷載作用下，隨著框架柱截面慣性矩的逐漸增大，鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)滯回性能、能量耗散系數(shù)以及抗側(cè)剛度均有所增加，但當(dāng)邊緣框架柱截面慣性矩增大幅度小于5倍時(shí)，能量耗散系數(shù)增加不超過10%，在達(dá)到一定位移荷載之后，骨架曲線基本穩(wěn)定；而當(dāng)框架柱截面慣性矩增大14倍左右時(shí)，能量耗散系數(shù)增大30%左右，在達(dá)到一定位移荷載之后，骨架曲線反而呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

3 柱剛度對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

3.1 加速度時(shí)程

12層鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻三種結(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 位移時(shí)程

三種結(jié)構(gòu)在三種罕遇地震波作用下的頂點(diǎn)最大位移時(shí)程曲線如圖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 層間位移角響應(yīng)

由結(jié)構(gòu)在三種多遇地震波作用下的頂點(diǎn)最大位移時(shí)程曲線可得樓層最大側(cè)向位移(smax)及樓層層間位移角，如表1、2所示，據(jù)此繪制曲線如圖9、10所示。

表1 不同波作用下樓層最大側(cè)向位移

表2 不同波作用下樓層層間位移角

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 結(jié) 論

(1)單層蜂窩鋼板剪力墻在同一水平位移荷載作用下，隨著框架柱截面慣性矩的逐漸增大，鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)滯回性能、能量耗散系數(shù)均有所增加，但出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，邊緣框架柱的截面尺寸不必選取過大，且盡量選取較窄翼緣的型鋼。

(2)三種不同地震波作用下的12層蜂窩鋼板剪力墻，加速度響應(yīng)、頂點(diǎn)位移響應(yīng)、最大樓層位移及層間位移角隨柱剛度的變化規(guī)律均不盡相同，但總體而言，在同一種地震波的作用下，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)隨柱剛度的增加而增加，頂點(diǎn)位移響應(yīng)、最大樓層位移和層間位移角則有所降低。

(3)三種不同柱剛度的蜂窩鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)在9度罕遇地震作用下均未發(fā)生破壞，抗震性能良好。

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(編校 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

東北石油大學(xué)研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目(YJSCX2015-035NEPU)

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.2095-7262.2016.05.008

TU398.2

2095-7262(2016)05-0506-07

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