开缝钢板剪力墙的理论分析与数值模拟

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1、第七届全国现代结构丁程学术研讨会开缝钢板剪力墙的理论分析与数值模拟4孙飞飞王文涛刘桂然-(同济太学建筑工程系上海200092)-，摘要：在理论分析的基础上，对开缝钢板剪力墙初始弹性刚度以及极限承载力估算公式进行了修正，利用公式对不同尺寸、开缝形式的开缝钢板墙进行了计算，井进行了非线性自限元分析。与试验结果刘比表明，修正后的理论公式和有限元分析能够较好预估向外变形较小的墙板的忖!能，对墙板的极限承载力的估计值也能与实验值吻合较好．而有限元结果很大程度上高估墙板的初始刚度。关键词：开缝钢板剪力墙，极限承载力，

2、初始刚度，数值模拟一、刖苫钢板剪力墙是一种新型抗侧力结构体系，已有的数值分析和试验研究揭示了其良好的性能，包括较大的弹性初始刚度、较小的自重、大变形能力、良好的塑性性能、稳定的滞回特性等““”。钢板剪力墙已成为非常具肯发展前景的商层抗侧力结构体系，尤其适用于高烈度地震区建筑，还可用于对地震中受损坏建筑的加固修复以及对旧有建筑结构侧向刚度和抗震性能的提高与改善。钢板剪力墙最甲用于日本和北美地区，在日奉，主要采用厚铡板或加劲肋铡板墙体系，避免铡板墙不发生平面外屈曲破坏。’。这种形式钢板墙能提供较大的水平抗力和

3、较高的地震耗能能力，但却是以较高的造价和较低的材料利用率为代价，而在北美，薄铡扳剪力墙更受欢迎。这种钢板墙在层间位移较小时就发生面外屈曲j允许剪力墙发生屈曲以利用钢扳屈曲后的强度，通过钢板屈服后的塑性变形来吸收地震能量。虽然薄钢板墙的滞回环会出现明显的捏拢现象，但是如果殴计恰当，随着挣力场的发展，薄钢板墙的承载力不会出现严重退化现象，并且能保持很高的延性，达到较好的经济效果和耗能能力“’。为了改善薄钢板墙的性能，基于带缝混凝土剪力墙的概念，日本近几年开始对带幔缝钢板剪力墙进行了研究并应用于实际工程。九卅I

4、大学眦taka对两边连接带竖缝钢板剪力墙进行了大量的试验研究“’。与普通薄钢板墙相比，开缝钢板剪力墙两侧不与相邻的柱子相连，因而更容易发生面外屈曲。然而，由于开缝钢板墙承担相对较小的横向荷城，因此通过很小的加劲肋，就能获得稳定的滞同性能。开缝钢板墙主要有以下几个优点：(1)通过设置很少的加劲肋就能获得较好的延性和稳定的滞回耗能能力；’(2)通过改变开缝形式，能够独立的调节钢板墙的强度和初始刚度；(3)墙扳不必贯通整段梁跨，在f)窗开洞的跨度处同样通用，建筑布局不受限制；(4)墙扳不与柱子相连，不会对柱子产

5、生附加弯矩，符合“强柱弱粱”的抗震理念。本文在理论分析的基础上，对开缝铡板剪力墙初始弹性刚度以及极限承载力估算公式进行了修正，利用公式对不同尺寸、开缝形式的开缝俐扳墙进行了计算，并进行了非线性有限元分析，与试验结果进行了对比，得到了一些有用的结论，为开缝俐板剪力墙的数值分析和计算提供了建议和依据。二、开缝钢板剪力墙理论计算公式(一)弹性初始刚度通过在钢板上开缝，降低了钏扳宽厚比，从而从根本上改变了铡扳墙的力学性能：四边连接(非开缝)‘基金项目：国家自然科学基金项目资助(5040舳36)，教育部科学技术研究

6、重点项目(106069)，教育邮留学刚国人员科研启动项目580工业建筑2007增刊第七届全国现代结构1-程学术研讨会铡板剪力墙以承受剪力为主，在剪力作用下发生屈曲并进一步屈服形成拉力场；而开缝钢板墙的受力性能与并列的肇柱相似(如图1)，在水平荷钱作用下，缝间的铡板将发生弯曲变形，弯矩最大点出现在壁柱的两端，随着荷载的增加，壁丰丰的两端将首先发生屈服计·形成塑性铰。因此，剪力墙的变形也由原来的剪切变形转变为由缝问的弯曲杆的弯曲变形和扳带部分的剪切变形尉部分共同组成⋯。彩粱蕊ll⋯⋯⋯⋯⋯加劲肋、上扳带⋯⋯⋯

7、⋯⋯lI1田一0一h中板带{—F柱{圳⋯⋯⋯⋯

8、、錾衄扛龟尾板壬苫下板带∥l晶强螟梓蕊十一吐。庐Ⅱ一十图1典型开缝钢板剪力墙示意图开缝制扳墙同时具有柱和墙的性质，墙板在水平荷载作用下的变形形式介于整体剪切变形和弯曲变形之间，其变形主要可以分成三个部分：板带的剪切变形、弯曲杆的剪切变形以及弯曲杆的弯曲变形。通过两边加劫的方式，可以很大程度上述免弹性杆的屈jl}I和扭转变彤，防止墙板过早丧失承载力，确保构件的延件破坏模式。下面假定在屈服前板带和弯曲杆在不发生屈曲或者屈曲很小，基本不影响钢板面内的受力行为，对开

9、缝钢板墙的初始刚度以及承载力计算公式进行推导。’。(1)板带剪切变形假定板带在荷载作用下不发生屈曲，板带将以剪切变形为主。忽略板带受弯引起的变形，这样，板带对墙板整体柔度的贡献为：～兰掣(1)“h一：—石否_一¨’其中，K为截面剪切形状系数，这里弯曲杆为矩形截面，可取1．2。B为制板总宽度，t为钢板厚度，h为钢板总高度，m为开缝排数，Z为开缝长度。(2)弯曲杆剪切变形弯曲杆以受弯为主，同时也受剪，存在剪切变形，弯曲杆对墙板柔度