鋼框架-冷彎薄壁型鋼組合墻體結構抗震性能有限元分析

摘要：利用有限元軟件ABAQUS對純鋼框架試件、冷彎薄壁型鋼組合墻體試件、鋼框架-冷彎薄壁型鋼組合墻體試件、覆雙面OSB板的鋼框架-冷彎薄壁型鋼組合墻體試件進行水平低周往復荷載作用下研究，分析了試件的滯回曲線、骨架曲線、抗側(cè)剛度、延性和耗能等。結果表明，鋼框架與冷彎薄壁型鋼組合墻體有明顯的組合效應；冷彎薄壁型鋼組合墻體能明顯增強鋼框架結構的承載力、剛度、延性和耗能能力；覆雙面OSB板鋼框架-冷彎薄壁型鋼組合墻體結構抗震性能較不覆板的鋼框架-冷彎薄壁型鋼組合墻體結構抗震性能好。

關鍵詞：鋼框架；冷彎薄壁型鋼；墻體結構；有限元分析；協(xié)同作用；抗震性能

中圖分類號：TU398.2

文獻標志碼：A 文章編號：1672-4348（2023）01-0029-06

Finite element analysis of seismic performance of steel frame-cold-formed

thin-walled steel composite wall structure

ZHANG Zheng， GUO Hehe， LIN Han， CHEN Duhai

（School of Civil Engineering， Fujian University of Technology， Fuzhou 350118， China）

Abstract：The finite element software ABAQUS was used to study pure steel frame specimens， cold-formed thin-walled steel composite wall specimens， steel frame-cold-formed thin-walled steel composite wall specimens， steel frame-cold-formed thin-walled steel composite wall specimens covered with double-sided OSB plates under horizontal low cyclic loading. The hysteretic curve， skeleton curve， lateral stiffness， ductility and energy dissipation of the specimen were analyzed. Results show that steel frame and cold-formed thin-walled steel composite wall have obvious combination effect， cold-formed thin-walled steel composite wall can obviously enhance the bearing capacity， stiffness， ductility and energy dissipation capacity of steel frame structure， and the seismic performance of steel frame-cold-formed thin-walled steel composite wall structure with double-sided OSB plates is better than that of steel frame-cold-formed thin-walled steel composite wall structure without plate.

Keywords：steel frame; cold-formed thin-walled steel; wall structure; finite element analysis; synergistic effect; seismic performance

收稿日期：2022-11-02

基金項目：福建省自然科學基金（2022J01927）

第一作者簡介：張錚（1978—），男，河南焦作人，教授，博士，研究方向：鋼結構和新型結構體系。

住宅建設工業(yè)化發(fā)展是各國共同追求的目標，同時也是我國現(xiàn)代化、工業(yè)化的組成部分^[1]。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑結構，具有成本高、建造周期長、污染環(huán)境等一系列缺點，不符合我國建筑工業(yè)化和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。隨著冷彎薄壁型鋼結構體系的發(fā)展，該結構體系與傳統(tǒng)結構體系相比不僅具有自重輕、建造速度快、抗震性能好等優(yōu)點，而且綠色節(jié)能環(huán)保更加符合中國國情^[2]。

目前，國內(nèi)外學者對冷彎薄壁型鋼組合墻體研究較多，Kechidi^[3]采用OpenSees有限元軟件對多層冷彎薄壁型鋼墻體結構進行模擬，建立了結構的易損性曲線。胡健翔^[4]和夏祥^[5]研究了豎向荷載和設置斜撐對冷彎薄壁型鋼組合墻體抗震性能的影響，發(fā)現(xiàn)一定的豎向荷載可以提高墻體的抗剪承載力，豎向斜撐可以改善墻體受力性能。江忠畫^[6]對覆竹木碳纖維板的冷彎薄壁型鋼墻體研究發(fā)現(xiàn)，覆板能有效提高結構的抗震性能。但是，對鋼框架內(nèi)嵌冷彎薄壁型鋼墻體結構方面的研究較少，鋼框架與冷彎薄壁型鋼墻體之間的協(xié)同工作效應尚不清晰。

本研究通過有限元分析軟件ABAQUS建立鋼框架-冷彎薄壁型鋼組合墻體等結構的有限元分析模型，進行水平低周往復荷載模擬，為該類結構在實際工程中應用提供科學依據(jù)。

1 有限元分析

1.1 模型設計

利用有限元軟件ABAQUS建立純鋼框架結構SF-1、冷彎薄壁型鋼組合墻體結構SF-2、鋼框架-冷彎薄壁型鋼組合墻體結構SF-3、覆雙面OSB板鋼框架-冷彎薄壁型鋼組合墻體結構SF-4典型模型。鋼框架模型尺寸3 060 mm×4 060 mm，框架柱規(guī)格HW200 mm×200 mm×8 mm×12 mm；框架梁規(guī)格HM300 mm×200 mm×8 mm×12 mm，框架梁柱節(jié)點采用栓焊混合連接。冷彎薄壁型鋼組合墻體模型尺寸為2 760 mm×3 660 mm，龍骨立柱間距610 mm，冷彎薄壁型鋼厚度1.2 mm，覆面板采用9 mm厚的OSB板，冷彎薄壁型鋼和框架的鋼材強度等級為Q235B，鋼框架與龍骨及墻面板與龍骨之間均采用ST5.5級自攻螺釘連接。模型設計如圖1所示。

1.2 模型建立

鋼框架梁柱采用三維實體單元C3D8R模擬，梁柱節(jié)點假定固接，綁定約束Tie連接。冷彎薄壁型鋼采用殼單元S4R模擬，冷彎薄壁型鋼各桿件之間Coupling約束連接，忽略自攻螺釘?shù)募羟谢?，即只約束連接點的平動自由度，放開轉(zhuǎn)動自由度。試驗過程中墻體與鋼框架應始終保持緊密連接，故冷彎薄壁型鋼墻體與鋼框架梁柱之間采用Tie連接。經(jīng)試算，鋼框架和OSB板網(wǎng)格密度為50 mm×50 mm，冷彎薄壁型鋼網(wǎng)格密度為20 mm×20 mm。試件的邊界條件假定為固接，鋼框架柱腳和冷彎薄壁型鋼墻體下導軌采用Tie連接。加載時，約束框架梁或加載梁腹板面外位移以模擬側(cè)向支撐。

1.3 材料屬性

（1）鋼材本構。冷彎薄壁型鋼的本構關系采用文獻[7]的鋼材應力應變關系，鋼框架按兩折線彈塑性材料本構關系進行分析，屈服強度取235 MPa，彈性模量E取2.06×10⁵ MPa，泊松比為0.3。

（2）OSB板本構。OSB板簡化成各向同性材料，各項數(shù)據(jù)采用文獻[7]試驗所得，彈性模量取4 166 MPa，抗拉強度取13.56 MPa，泊松比取0.3。

1.4 加載方案

加載時，設置兩個分析步，第一個分析步在框架梁或加載梁上施加豎向荷載，第二個分析步在保持豎向荷載不變的情況下施加水平荷載。加載制度以2 mm為位移增量加載至荷載-位移曲線開始出現(xiàn)非線性段，取此時加載位移為δ，分別以1δ、2δ、4δ、8δ、12δ、16δ為位移增量進行加載，直至試件破壞。具體加載制度如圖2所示。

1.5 有限元分析模型的驗證

將有限元計算結果與文獻[7]試驗結果進行對比，荷載-位移曲線對比如圖3所示。

由圖3可知，加載前期，試件處于彈性階段，有限元計算結果與試驗結果較為吻合；加載中期，試件進入彈塑性階段，試驗的滯回曲線出現(xiàn)捏縮，開始由梭形向反“S”形轉(zhuǎn)變，而有限元計算的滯回曲線還較為飽滿；加載后期，試件進入塑性階段，試驗滯回曲線產(chǎn)生較大的捏縮滑移，有限元滯回曲線只產(chǎn)生較小的捏縮變形。有限元計算結果與試驗結果產(chǎn)生誤差的原因主要有，材料材性與真實材性的差異性、各構件之間連接的簡化、有限元模型的理想性等。綜上，有限元計算結果與試驗結果整體較為吻合，表明有限元建模和計算的正確性，在此基礎上對該類結構進行詳細分析。

2 有限元模擬結果及分析

2.1 荷載-位移曲線

滯回曲線是指循環(huán)荷載作用下結構抗力與變形之間的關系曲線，可以反映結構在循環(huán)荷載下的剛度、延性、耗能能力等力學性能。各計算模型的滯回曲線和骨架曲線如圖4、圖5所示，由骨架曲線計算試件荷載-位移特征值如表1所示。

由圖4和表1可知，加載前期，試件處于彈性階段，滯回曲線呈線性變化；加載中期，試件滯回環(huán)愈發(fā)飽滿，承載力持續(xù)提高，剛度緩慢下降；加載后期，試件仍具有較高的承載力和耗能。試件SF-1展現(xiàn)了純鋼框架結構良好的耗能和延性；試件SF-2作為單純的冷彎薄壁型鋼組合墻體其承載力、剛度和耗能等抗震性能均較弱；試件SF-3表明鋼框架和冷彎薄壁型鋼組合墻體能夠有效地協(xié)同工作，基本滿足“1+1=2”的效果；試件SF-4與試件SF-3相比僅為組合墻體覆板，但結構的承載力、抗剪強度提高了近2倍，抗側(cè)剛度提高了近3倍，具有“1+1gt;2”的效果，可見鋼框架內(nèi)嵌的冷彎薄壁型鋼組合墻體覆板與否對結構的抗震性能有較大的影響。

2.2 延性系數(shù)

結構位移延性系數(shù)計算公式為：

μ=Δ_u/Δ_y """（1）

式中，Δ_u為極限位移，mm；Δ_y為屈服位移，mm。

參考《建筑抗震試驗方法規(guī)程》（JGJ/T 101-2015）采用等效能量面積法^[8]，確定試件的屈服點和極限點，如圖6所示，B為峰值點，作0.85倍峰值荷載的平行線與骨架曲線相交于點D，D點的橫坐標為Δ_u，過點B作水平線BC，過原點O作割線OC與骨架曲線相交于點A，使得面積S_OEA=S_ACB，則C點的橫坐標為Δ_y，試件的延性系數(shù)見表1。

由表1可知，單純的冷彎薄壁型鋼組合墻體延性性能較差，與鋼框架結合能有效提高結構延性，試件SF-3的延性系數(shù)較試件SF-1和SF-2分別提高了30%和166%，而冷彎薄壁型鋼墻體覆板對結構延性的提高影響不大。

2.3 剛度退化

采用滯回曲線峰值點的割線剛度反映試件在低周往復加載過程中的剛度退化，按照《建筑抗震試驗方法規(guī)程》（JGJ/T 101-2015）^[8]計算試件割線剛度K_i與位移的關系曲線如圖7所示，試件的抗側(cè)剛度采用1/300結構高度所對應的骨架曲線切線剛度，計算結果見表1。

由表1可知，試件SF-3的抗側(cè)剛度約是試件SF-1和SF-2之和，試件SF-4的抗側(cè)剛度約是試件SF-3的3倍，可見墻體覆板能較大提高結構抗側(cè)剛度。由圖7可知，試件SF-1、SF-2、SF-3的抗側(cè)剛度下降較為緩慢，試件SF-4的抗側(cè)剛度前期下降較快，后期逐漸趨于平緩，可見覆板對結構前期剛度提升較大，整體剛度大于其它試件。

2.4 耗能能力

滯回曲線所包圍的面積反映了結構的耗能能力，通常采用等效黏滯阻尼系數(shù)ξ_eq來評價。等效黏滯阻尼系數(shù)越大，說明結構地震時吸收的能量越多，試件的耗能能力越強。如圖8所示，ξ_eq的表達式如下：

試件耗能能力和等效黏滯阻尼系數(shù)如圖9、圖10所示。加載前期，試件SF-1、SF-2、SF-3各級滯回環(huán)的耗能差別較小，試件SF-4的耗能明顯大于其它試件；試件SF-3的耗能約等于試件SF-1和SF-2之和，試件SF-4的耗能能力較SF-3有較大提高；加載后期，試件的耗能能力逐漸下降，趨于平緩。由圖10可知，各試件模型的等效黏滯阻尼系數(shù)隨著位移的增大而增大，加載前期，試件SF-4的耗能能力明顯強于其它3個試件，加載后期，試件SF-4的耗能能力更強，主要因為覆面板的存在使輕鋼墻體的耗能更加充分，使墻體與鋼框架從始至終都具有較好的協(xié)同工作作用。

3 結論

1）通過建立鋼框架-覆板冷彎薄壁型鋼組合墻體的精細化模型，與試驗結果進行了對比分析，驗證了有限元模型的可靠性和準確性。分析得到冷彎薄壁型鋼組合墻體與鋼框架緊密連接具有良好的變形能力和抗震性能，在地震作用下有很好的整體性能和協(xié)同受力性能。

2）鋼框架內(nèi)嵌冷彎薄壁型鋼組合墻體與純鋼框架結構相比，承載能力提升了20%，抗側(cè)剛度提升了30%，結構的延性和耗能能力均有較大提升。

3）鋼框架-覆OSB板冷彎薄壁型鋼組合墻體試件SF-4的承載能力和抗側(cè)剛度較未覆板試件SF-3分別提高了85%和192%，結構抗震性能優(yōu)良。

4）對于鋼框架內(nèi)嵌冷彎薄壁型鋼墻體結構，墻體覆板可顯著提高鋼框架與墻體之間的耦合作用，使鋼框架和冷彎薄壁型鋼組合墻體能夠最大限度耗能，結構耗能能力較未覆板結構提高40%，結構延性系數(shù)達4.1，滿足結構抗震要求。

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[5]夏祥. 豎向荷載作用下加斜撐冷彎薄壁型鋼組合墻體抗震性能研究[D]. 重慶：重慶大學，2018.

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[8]中華人民共和國建設部. 建筑抗震試驗方法規(guī)程：JGJ 101—1996[S]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2015.

（責任編輯：陳雯）