, 王喆2 1. 北京科技大学 土木与资源工程学院, 北京 100083;
2. 中国建筑标准设计研究院, 北京 100048
收稿日期：2020-02-26
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51578064)；北京市自然科学基金资助项目(8172031)。
作者简介：牟在根(1960-)，男，黑龙江佳木斯人，北京科技大学教授，博士生导师。
摘要：为了避免焊接造成的残余应力, 通过螺栓连接的端板将上下2块钢板连接, 形成一种延性和耗能能力更好的全螺栓连接钢板墙.通过有限元建立全螺栓连接和传统焊接连接钢板墙模型, 对比两种钢板墙在单向推覆和往复荷载作用下的荷载位移曲线、抗侧承载性能、能量耗散系数、刚度退化和承载力退化等性能.结果表明, 在单向推覆作用下全螺栓连接钢板墙的抗侧承载力与传统焊接形式较为接近, 但初始刚度比传统形式下降了11%;在往复荷载作用下, 全螺栓连接形式表现出更好的整体耗能能力, 刚度退化更平缓.该类钢板墙还便于生产和安装, 在今后的工程应用中值得广泛的推广和应用.
关键词：钢板剪力墙螺栓连接两边连接抗剪性能滞回性能
Analysis on Mechanical Properties of the Steel Plate Shear Wall with Fully Bolted and Welded Connections
MU Zai-gen1, DA Hai1, YANG Yu-qing1
, WANG Zhe2 1. School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;
2. China Institute of Building Standard Design & Research, Beijing 100048, China
Corresponding author: YANG Yu-qing, E-mail: yangyuqing726@163.com.
Abstract: In order to avoid the residual stress caused by welding, the upper and lower steel plates are connected by the end-plate with bolts to form a fully bolted steel plate shear wall (SPSW) with better ductility and energy dissipation capacity. The models of fully bolted SPSW and welded SPSW were established and analyzed by the finite element method. The load-displacement curve, lateral bearing capacity, energy dissipation capacity, stiffness degradation, and bearing capacity degradation of the two kinds of steel plate shear walls under unidirectional push-over and reciprocating load were compared. The results show that, under the action of unidirectional push-over, the lateral bearing capacity of the SPSW with full bolted is close to that of the traditional form, but the initial stiffness is 11% lower than that of the traditional form. Under the reciprocating load, the SPSW with full bolted shows a better overall energy dissipation capacity, and the stiffness degrades slower. This form of SPSW is also convenient for production and installation, and worth to extensive promotion and application in the future engineering application.
Key words: steel plate shear wall(SPSW)bolted connectionsbeam-only connectionshear propertyhysteretic property
钢板剪力墙结构体系在抵抗风荷载和地震作用中表现出良好的抗侧力性能, 近年来受到工程师的青睐, 在高烈度地区的中高层钢结构建筑中推广使用.钢板剪力墙抗侧刚度大, 有良好的耗能能力与延性, 并且内填钢板屈曲后结构仍有较高的屈曲后承载力.传统钢框架-混凝土剪力墙结构有着材料刚度不匹配、变形不协调等缺点, 钢框架-钢板剪力墙的出现解决了这一问题, 并且结构延性和耗能能力更好[1].经过40多年的发展, 钢板剪力墙在国内外的许多工程应用表明, 这种结构体系便于工业化生产和装配式安装, 是具有良好发展前景的新型抗震结构体系[2-5].
钢板剪力墙在较小荷载作用下发生屈曲, 形成拉力带以抵抗侧向力, 但拉力带对框架柱有较大的附加作用, 使得框架柱容易过早发生屈服, 由此提出了两边连接形式.传统两边连接钢板剪力墙的钢板仅通过鱼尾板与上下框架梁连接, 避免了对框架柱的附加弯矩.相比钢板四边与框架连接的钢板剪力墙, 两边连接形式的延性更好, 更符合“强柱弱梁”的抗震设计理念[6].但两边连接形式失去了框架柱的锚固作用, 拉力带形成不充分, 钢板材料性能不能充分发挥.通常在内填钢板的两侧自由边布置加劲肋, 增强钢板的自由边面外稳定性同时, 还能为钢板拉力带发展提供一定的锚固作用.在实际工程中, 对于层高较高的建筑, 一般采用上下2块钢板拼接的形式, 并在半层高处设置横向加劲肋, 采用焊接连接的形式连接上下钢板[7].这种横向加劲形式通过减小钢板墙的高厚比, 来提高钢板的弹性屈曲荷载.但大量的焊接会引起钢材内部存在残余应力, 结构弹性模量下降, 可能会严重影响钢板墙材料性能的发挥, 导致结构的力学性能下降[8].
****提出了全螺栓连接的带肋钢板剪力墙新型结构形式[9-11], 以解决大量焊接会引起的工程问题.全螺栓连接的新型带肋钢板剪力墙避免了大量焊接带来的不利影响, 还保留了两边连接钢板剪力墙和横向加劲钢板剪力墙的优点.同时螺栓连接形式也易于钢板墙的生产、运输和安装, 提高了建筑施工效率.本文通过有限元软件, 建立全螺栓连接-两边连接钢板墙和焊接连接-两边连接钢板墙模型, 对比两种形式的钢板墙在单向和循环荷载作用下的抗侧性能和滞回性能的差异, 以体现全螺栓连接-两边连接钢板剪力墙结构的优势.
1 模型建立与验证1.1 两种钢板墙模型建立通过ABAQUS建立两种钢板剪力墙模型进行分析.图 1为全螺栓连接-两边连接钢板墙(简称BOLT)的示意图, 主要由上下2块钢板通过螺栓连接的端板连接成为整体墙面[12].钢板两侧不与框架柱连接, 钢板自由边布置条形板加劲肋.钢板通过鱼尾板与上下框架梁进行焊接连接, 在ABAQUS模拟中忽略鱼尾板, 钢板与框架梁设置为绑定(TIE)约束.螺栓为直径20 mm的10.9级螺栓(预拉力设计值155 kN), 通过螺栓连接的端板将上下内嵌钢板连接, 端板上的螺栓孔径略大于螺栓直径(约1.5~2 mm), 螺栓间距为120 mm.焊接连接-两边连接钢板剪力墙(简称CHL)由内嵌钢板、边缘框架以及加劲肋组成, 内嵌钢板中部横向端板通过焊缝连接, 其他构造形式与全螺栓连接钢板墙(BOLT)保持一致.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 全螺栓连接钢板剪力墙Fig.1 Fully bolted steel plate shear wall |
1.2 模型材料及边界条件模型构件尺寸和材料属性如表 1所示, 所有构件均采用四节点减缩积分壳单元S4R, 全局网格尺寸约为60 mm.框架梁、柱的轴线距离为3 600 mm, 内嵌钢板左右侧与框架柱距离为100 mm, 2块钢板连接后的尺寸为3 000 mm×3 000 mm.钢材材料本构模型为双线性强化本构, 强化段的斜率取0.02倍的钢材弹性模量, 如图 2所示.为模拟全螺栓连接钢板墙中的螺栓, 依次创建连接螺栓中心的线条特征和连接截面, 最后赋予螺栓的轴拉刚度和剪切刚度.全螺栓连接-两边连接钢板墙模型及螺栓示意图如图 3所示.约束底梁所有方向的平动自由度和转动自由度, 约束梁翼缘的面外位移防止结构发生面外位移.水平荷载加载前, 考虑内填钢板初始缺陷的影响, 取结构的第一阶屈曲模态为内填钢板的初始缺陷分布, 最大缺陷幅值为内填钢板长度的1/1 000.
表 1(Table 1)
 表 1 材料属性Table 1 Material properties
| 表 1 材料属性 Table 1 Material properties |
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 钢材本构曲线Fig.2 Constitutive curve of steel |
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 全螺栓连接钢板墙有限元模型Fig.3 Finite element model of fully bolted SPSW |
1.3 加载制度《钢板剪力墙技术规程》[13]中变形限值规定, 在风荷载和多遇地震作用下, 加劲钢板剪力墙层间位移角不宜大于1/250, 罕遇地震下, 加劲钢板剪力墙弹塑性层间位移角不宜大于1/50.在单向推覆加载中, 采用ABAQUS中的隐式算法(通用静力法), 在一侧框架柱顶端施加水平位移荷载, 最大位移值为100 mm.在循环荷载加载中, 采用显式动力法, 并在框架柱顶施加轴压比为0.2的竖向荷载.循环加载级数分为6级, 对应水平位移为15, 30, 45, 60, 75, 90 mm, 每级循环一次.
2 单向推覆作用下受力性能研究2.1 钢板墙抗侧力性能对比焊接连接-两边连接钢板墙(CHL)和全螺栓连接-两边连接钢板墙(BOLT)整体尺寸一致, 区别在于CHL模型中连接上下2块钢板的横向端板焊接连接, BOLT模型则通过螺栓进行连接, 分析这两个模型在单向荷载作用下承载力、应力分布、面外变形等力学性能的差异.
图 4和图 5为CHL模型和BOLT模型在不同层间位移角时的应力分布和面外变形图.可以看出, 在1/250位移角时, 焊接连接-两边连接钢板墙的最大应力出现在上梁端部, 为397 MPa.上下2块钢板沿对角线方向开始屈曲, 形成明显的拉力带, 钢板的最大面外位移为71.6 mm.全螺栓连接形式的应力发展状况与焊接连接形式接近, 最大应力出现在上梁端部, 为394 MPa, 最大面外位移为72.2 mm.层间位移角达到1/50时, 焊接连接形式钢板墙的上梁梁端达到极限状态, 内嵌钢板大部分区域屈服, 拉力带倾角接近45°, 框架梁端形成塑性铰, 框架柱也进入屈服阶段.两种形式钢板剪力墙的内填钢板最大面外位移约为220 mm, 形成沿45°的反对称屈曲半波.随水平位移的增加, 达到1/30层间位移角时, 两种形式钢板剪力墙的屈服区域和面外变形不断增大, 最大面外变形约为280 mm.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 CHL模型在不同层间位移角时的应力分布和面外变形Fig.4 Stress and out-of-plane deformation of CHL with different drift |
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 BOLT模型在不同层间位移角时应力分布和面外变形Fig.5 Stress and out-of-plane deformation of BOLT with different drift |
CHL模型和BOLT模型的荷载-位移曲线如图 6所示.由图 6可以看出, 加载初期剪力墙结构处于弹性阶段, CHL模型和BOLT模型荷载-位移为正比关系, 整体面外变形小; 随着水平位移的增加, 钢板墙结构进入弹塑性阶段, 结构承载力增长速度放缓, 逐渐达到极限状态.通过通用屈服弯矩法, 求出钢板墙结构的屈服位移及其对应的屈服荷载, 结果如表 2所示.可以看出, CHL模型的承载能力和初始刚度都略高于BOLT模型, 表明螺栓连接方式能保证钢板墙整体的抗侧性能, 并不会对钢板墙的抗侧性能造成较大的削弱, 保持了两边连接钢板剪力墙力学性能的效果.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 CHL和BOLT荷载-位移曲线Fig.6 Load-displacement curves of CHL and BOLT |
表 2(Table 2)
表 2 有限元模型计算结果Table 2 Calculated results for model
| 表 2 有限元模型计算结果 Table 2 Calculated results for model |
2.2 螺栓受力分析在ABAQUS后处理中, 提取每个螺栓力-位移曲线, 以分析螺栓的受力情况, 螺栓分布及编号如图 7所示.用点线图可以更直观地看出端板两侧的受力趋势, 螺栓在轴线方向最大合力如图 8所示.位于端板两端的螺栓受力比较明显, 编号25螺栓、编号50螺栓和临近的螺栓受力约达到70 kN.其余螺栓合力基本在20~30 kN范围内浮动, 全螺栓模型的所有螺栓的受力均小于螺栓的预拉力设计值155 kN.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 端板不同位置螺栓分布图Fig.7 Bolt distribution at different positions of end-plate |
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 螺栓受力Fig.8 Force exerted on bolts |
3 往复荷载作用下受力性能研究结构在往复荷载加载下的滞回性能可以反映出结构的延性和耗能能力, 是评价抗震性能的重要参考指标之一[14].图 9和图 10分别为CHL模型和BOLT模型在正向循环荷载达到最大时的应力分布、面外变形和塑性应变累积图.
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 CHL的应力分布、面外变形和等效塑性应变Fig.9 Stress, out-of-plane deformation and equivalent plastic strain of CHL |
图 10(Fig. 10)
 | 图 10 BOLT对应应力云图、面外变形和等效塑性应变Fig.10 Stress, out-of-plane deformation and equivalent plastic strain of BOLT |
由图 9和图 10可知, BOLT模型最大面外变形为298 mm, 最大塑性应变累积为0.472;CHL模型最大面外变形为302 mm, 最大塑性累积为0.494.两种结构的塑性应变累积主要集中出现在上半部分内嵌钢板的中部拉力带交汇处和梁端右侧开洞处, 表明这些位置在循环加载过程中, 会积累大量的塑性变形, 是容易破坏的部分, 在该类型钢板剪力墙的实际工程应用和设计中应该重点关注.
3.1 滞回曲线分析BOLT模型和CHL模型的滞回曲线如图 11所示.可以看出, 第一级加载中, 结构处于弹性工作阶段, 滞回环尚未打开, 耗能较小.随着水平荷载的增大, 结构滞回环打开, 表明进入弹塑性阶段, 产生了塑性变形以消耗能量.随加载级数增加, 滞回环面积不断增大, 并且滞回环出现捏缩现象, 呈现“反S形”.
图 11(Fig. 11)
 | 图 11 CHL和BOLT滞回曲线Fig.11 Hysteretic curves of CHL and BOLT |
3.2 骨架曲线分析取CHL模型和BOLT模型每级加载的峰值连接成曲线, 即为结构的骨架曲线, 如图 12所示.由图 12可知, CHL模型和BOLT模型在加载初期结构屈服前, 骨架曲线接近直线增长.随着水平侧移的逐渐增大, 结构进入弹塑性阶段, 钢板墙承载力增长趋于平缓, 表现出良好的延性.
图 12(Fig. 12)
 | 图 12 CHL和BOLT骨架曲线Fig.12 Skeleton curves of CHL and BOLT |
通过通用屈服弯矩法, 求出CHL模型和BOLT模型计算结果, 如表 3所示.可以看出BOLT模型的初始刚度为180.78 kN/mm, 相比CHL模型的初始刚度降低约8%.两种结构达到屈服时的位移基本相同.BOLT模型的屈服荷载和峰值荷载分别为3 042.74 kN和3 706.75 kN, 相比于CHL模型分别下降了7.0%和6.5%, 焊接连接形式在循环荷载作用下的滞回性能要略优于全螺栓连接形式.但是两种形式的力学性能相差不大, 表明全螺栓连接这种新型构造形式的可行性, 既保留了两边连接钢板墙的优点, 又便于生产和安装.
表 3(Table 3)
表 3 骨架曲线计算结果汇总表Table 3 Summary of calculated results of skeleton curve
| 表 3 骨架曲线计算结果汇总表 Table 3 Summary of calculated results of skeleton curve |
3.3 能量耗散系数分析结构或构件的耗能能力是指其在地震荷载作用下吸收和消耗能量的能力, 构件的耗能能力可由图 13所示的滞回环所包围的面积来衡量[15].按式(1)计算的能量耗散系数Ed可以定量表征构件的能量耗散能力[16], 计算得到的Ed值越大，表明滞回环面积越大, 越饱满, 构件的耗能能力越强.
图 13(Fig. 13)
 | 图 13 能量耗散系数计算图Fig.13 Calculation of energy dissipation coefficient |
 | (1) |
图 14(Fig. 14)
 | 图 14 能量耗散系数Fig.14 Energy dissipation coefficients |
3.4 刚度退化分析随着循环加载次数和水平位移的增加, 结构产生屈曲和塑性累积, 刚度逐渐减小.对刚度退化进行定量分析时, 构件刚度可用式(2)进行计算:
 | (2) |
通过式(2)计算可得循环加载过程中CHL模型和BOLT模型对应的刚度退化曲线图, 如图 15所示.由图 15可以看出, 在整个循环加载过程中, CHL模型的刚度一直大于BOLT模型的刚度, 并随加载位移的增大而减小.在第一级加载时, CHL模型的刚度为191.38 kN/mm, 高于BOLT模型的刚度177.24 kN/mm; 随着加载的进行, 两个模型的刚度都呈现出明显退化的趋势, 在第六级加载时, CHL刚度为42.26 kN/mm, 下降了78%, BOLT模型的刚度为39.99 kN/mm, 下降了77%.从刚度退化曲线整体趋势可以看出, CHL模型刚度退化更加明显, 相比来说BOLT模型刚度退化曲线更加平缓, 力学性能要优于CHL模型.
图 15(Fig. 15)
 | 图 15 刚度退化曲线Fig.15 Curves of stiffness degradation |
4 结论1) 在单向推覆作用下, CHL模型和BOLT模型的应力发展和面外变形基本一致, 结构抗侧承载力和初始刚度较为接近.全螺栓连接-两边连接钢板剪力墙能充分发挥钢板剪力墙的抗侧性能, 基本能发挥出整块钢板墙的力学性能效果.分析了连接端板处螺栓的受力情况, 在靠近钢板墙拉力带的螺栓, 即端板两侧的螺栓受力较大；但所有螺栓的受力均小于螺栓的设计承载力值, 满足结构设计的要求.
2) 在往复荷载作用下, CHL模型和BOLT模型的承载力、初始刚度、骨架曲线和延性基本接近, BOLT模型要略微低于CHL模型.从耗能能力上看, 两种钢板墙的能力耗散系数在加载初期比较接近, 到加载后期BOLT模型的能量耗散系数要高于CHL模型约10%, 表明全螺栓连接形式有更好的耗能能力.从刚度退化上看, BOLT模型和CHL模型的刚度退化趋势较为一致, 但CHL模型刚度退化更明显.综合来看, 全螺栓形式具有传统焊接连接-两边连接钢板剪力墙良好的承载能力、延性和初始刚度, 还有更好的整体耗能能力, 并且螺栓连接形式可以满足建筑工业化、标准化的生产, 现场安装方便、快速, 是可行的、值得推广的新型构造形式.下一步可进行更深入的试验研究, 为该类型钢板剪力墙的实际工程应用提供参考依据.
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