钢框架钢板剪力墙结构的非线性静力分析

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1、第七届全国现代结构工程学术研讨会钢框架钢板剪力墙结构的非线性静力分析+孙飞飞刘桂然王文涛(同济大学土木工程学院建筑工程系，上海200∞2)摘要：钢板剪力墙结构作为新型抗侧力体系具有盘好的特性。本文利用便于工程设计使用的有限元分析软件sAP2000，探讨了钢框架钢板剪力墙结构非线性静力分析在sAP2000中的实现。实现方法通过纤维铰模型考虑结构的非线性，且对纤维铰模型进行了改进。利用奉文提出的改进方法．在钢板剪力墙结构简化分析模型的基础上，对已有的试骑试件进行了数值模拟，并对材料和构件的一些关键因素做了参数分析。关键词：钢板剪力墙，非线性，sAP2000，纤维铰，简化

2、模型一、引言、钢框架钢板剪力墙结构足一种新型抗侧力体系，目前国内外，己对该结构体系进行了较多的试验研究和有限元分析，并证明了它具有优越的抗震性能。为了便于工程的分析和改计，提出了铡板剪力墙结构的筋化分析模型。美国规范AIscl997和加拿大规范csA2001利用钢板剪力墙结构的简化分析模型，规定了钢框架钢板剪力墙结构的设计方法。sAP2000是在分析和设计方面比较强大的有限元分析软件。本文应用该软件，研究了铡框架板剪力墙结构的非线性分析在sAP2000中的实现方法。该方法在钢板剪力墙简化分析模型的基础上，利用sAP2000中的纤维铰模型考虑结构的非线性，解决了纤维铰

3、模型在软件中的应用缺陷，并用已有钢板剪力墙结构试验进行了对比和验证。在此基础上，对影响钢框架钢板墙结构非线性分析的部分关键因素进行了参数分析，得到了一些有效的结论。二、钢板剪力墙结构的分析模型已有研究通过分析钢板墙的破坏模式和特点，提出钢板墙的简化模型，以应用于钢框架钢板墙结构的分析。主要的简化模型包括经典等效斜撑(EquivalentstoryBrace)模型‘”、集克铨修正等效斜撑模型‘“，斜拉带(smp)模型”’以及Drivef在此基础上提出的修正斜拉带模型瑚(ModinedstripModel)。F图1钢板墙的实际结构图2钢板墙的等效斜撑模型图3钢板墙的斜拉

4、带模型(一)经典等效斜撑模型(EquivaIentstoryBr粒eM0del，简称正BModel)经典等效斜撑模型是将每层的铡板墙简化为一根受拉的对角线斜撑，斜撑为两端与框架铰接的杆单元+国家自然科学基金项目资助(50408036)-教育部科学技术研究重点项目(106069)，教育部留学回国人员科研启动项目工业建筑2007增刊595第七届全国现代结构工程学术研讨会(图2)。斜撑的截面面积可根据弹性应变能理论Ⅲ得到，即采用以下公式．比sin‘2口铀一面而；而其中，f为钢板墙的厚厦；工为竖向边缘构件中心线问的距离；口为斜撑与竖向的夹角；睇是板中主拉应力方向与竖向的夹角

5、。盯可由下式确定：P4非嚣圆1+胁(士+i某苦)一其中，^是层高；A和A分别是框架柱和梁的横截面面积；J。是框架柱的截面惯性矩。(二)蔡克铨修正等效斜撑模型蔡克铨等通过考虑等效斜撑的角度口和张力场的角度盯，并根据钢板和斜撑屈服后在水平方向的分力相等，提出了等效斜撑屈服应力F∞与钢板墙屈服应力R。的转化公式，以期改善EB模型的模拟效果。E。呜。篇(3)另外，对于等效斜撑的截面面积，该文考虑到实际钢板墙长度￡Ⅷ与简化模型中钢板长度(即竖向边缘构件中心线间距￡)的差异，通过公式(4)调整分析模型中的钢板厚度，进而使两者的受剪面积相等。‰。=f·=警(4)则得到的等效斜撑的

6、横截面面积为％：=揣(5)(三)斜拉带模型(stripModeI)斜拉带模型是将每片钢板剪力墙等效为不小于lO根等间距且端部与梁柱铰接的单元(图3)。每根斜拉带只能承受拉力，不能承受压力。所有的n根斜拉带的横截面面积相等，且可通过下式计算：A：坚竺丝坐业(6)斜拉带的倾角口(即斜拉带与竖向构件的夹角)经过理论和试验分析，可由下式计算。、“弘畿∽l+m(士+士1～三、钢框架钢板墙结构非线性分析在SAP2000中的实现且前，钢结构框架体系的非线性分析通常采用两种非弹性有限元模型，即扩展塑性模型(塑性区模型)和集中塑性模型(塑性铰模型)。而在sAP2000中，有三种结构非

7、线性分析方法，即在弹性杆件上定义集中塑性铰、纤维铰或连接单元，来考虑材料非线性。这三种单元在实质上都是利用了集中塑性模型，其作用相当于弹簧。不同的是，用于做Pllshover分析的塑性铰是一种刚塑性弹簧，而纤维铰和连接单元是弹塑工业建筑2007增刊第七届全国现代结构工程学术研讨会性弹簧。塑性铰单元只能用于做静力非线性分析，纤维铰和连接单元可用于做动力非线性分析。另外，塑性铰和连接单元以构件的宏观力与变形关系作为关键控制参数，而纤维铰直接从材料的本构关系出发得到结构的非线性性能。在对构件的主要受力和变形特征把握不清楚的情况下，由材料的本构关系{导到构件的非线性性能