基于高烈度地震区的低屈服点钢代替普通强度钢

纸：

王猛，段海欣，施刚*。 低屈服点钢板剪力墙抗震性能试验研究薄壁结构。 2023, 191, 111093。

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研究概况

基于高烈度地震区高层建筑对高性能抗侧力系统的需求，提出一种将高性能结构形式与抗侧力结构相结合的低屈服点钢板剪力墙（LSPSW）结构。高性能材料。 墙板采用具有优良延展性和耗能能力的低屈服点钢材代替普通强度钢材。 本文设计并进行了三种钢板剪力墙（SPSW）试件的循环加载试验，包括非加筋LSPSW、非加筋普通强度SPSW和新型钢管加筋LSPSW（以抑制非加筋LSPSW）墙板的平面变形）。 ）； 通过试验结果验证所提出的数值模拟方法； 从剪力分布、耗能行为、塑性损伤性能等方面对板框相互作用进行补充分析，为SPSW的设计提供相关建议。 研究成果可用于分析低屈服点钢板剪力墙的抗震性能，为高层结构抗震提供替代设计方案。

研究背景

钢板剪力墙结构因其较高的承载力和初始刚度、优越的延性和耗能能力而在许多工程项目中得到应用，尤其是高烈度地震区的高层建筑。 考虑到普通强度钢板制作的墙板在受拉带交汇处容易发生严重的面外屈曲和过早撕裂，导致结构整体强度和刚度下降，本文提出“强框架、弱框架”从性能匹配的角度来看，“墙”。 基于“板”的设计理念，墙板采用低屈服点钢材代替普通强度钢材，如图1所示。此外，传统的加劲方法是将加劲肋焊接到墙板上。 考虑到墙板较薄时，可能会出现焊接熔深问题，且层间位移角较大时，墙板会在焊接区域撕裂，造成结构破坏。 针对刚度和延性的不利影响，本文提出了一种采用钢管加劲肋的新型LSPSW，如图1所示。钢管通过螺栓与墙板连接，可以避免焊接加劲肋的缺陷，并具有与板式加劲肋相比，弯曲刚度更大，提高了加劲效率。 本研究针对三种类型的SPSW进行循环荷载试验，对比分析其失效模式、应变发展、滞回性能和变形性能，评价LSPSW结构的抗震性能，并研究钢管加劲肋的性能改进效果； 建立SPSW结构，采用数值模拟方法研究板框相互作用，为SPSW的设计提供相应的建议。

图1 LSPSW结构

测试设计

本实验设计并制作了三个钢板剪力墙试件（见表1和图2）。 为了研究墙板材料对SPSW抗震性能的影响，采用LYP160低屈服点钢和Q235B普通强度钢作为墙板。 为了考察加强筋对提高LSPSW性能的效果，在墙板两侧布置了横向钢管。 钢管与墙板采用10.9级M12螺栓连接。

表1 试件设计

图2 试件详细结构

试验加载系统如图3所示。为了保证SPSW主要承受剪应力，墙板的跨高比（L/H）设置为1。考虑到的承载能力实验室设备中，预埋钢板尺寸设置为1000 mm×1000 mm，板厚（t）为4.5 mm，板高厚比λ为222。为了给嵌入的钢板提供足够的锚固，柱的柔度系数设置为1.97。 除预埋钢板外，其余板材均采用Q345B钢材。

图3 加载系统

钢板剪力墙试验加载装置如图4所示。地梁通过地脚螺栓固定在实验室地板上，其端部采用千斤顶和钢垫压紧。 试件底梁通过M24高强螺栓固定在地梁上。 水平加载执行器用于施加循环载荷。 执行器一端固定在反应壁上，另一端用高强螺栓与试件连接。 顶梁中部位置设有平面外侧向支撑，侧向支撑上设有耐磨垫。

图4 测试装置

测试结果分析

本次试验试件的破坏模式相似，包括墙板撕裂、柱脚外翼缘严重屈曲、柱脚焊缝断裂等，最终导致墙板承载力大幅下降。标本。 所有试件中墙板先于边柱受损，满足多道抗震设防要求。 LYP和HSS试件墙板角部的撕裂晚于NW试件，表明低屈服点钢优越的延展性可以延缓墙板的撕裂。 LYP和NW试件在加载过程中伴随着连续的噪声，而HSS试件仅在卸载过程中伴随着噪声。 采用钢管加劲肋的策略有利于抑制墙板面外变形，提高舒适度。

图4 实验现象

各试件的应变分布和发展以及各板的屈服顺序如图5所示。由于采用低屈服点钢材，屈服发生在屈曲之前，而边柱几乎保持弹性，满足设计原则“框架强，墙板弱”。 样本 NW 墙板的测量点在 θ = 0.015 rad 处屈服。 此时边柱已发生较大的塑性变形。 可以得出结论，低屈服点墙板在边缘柱屈服之前更充分地屈服，并充当能量耗散元件以保护边缘框架免受严重损坏。 当位移角达到结构弹塑性层间位移角极限0.02rad时，LYP和HSS试件柱内翼缘尚未屈服，而NW试件柱内翼缘已初步屈服，表明LSPSW中侧柱进入塑性程度较小，低屈服点钢墙板起到了良好的熔断作用。

图5 应变分布曲线

试件的滞回曲线如图6所示。与NW试件相比，低屈服点钢墙板的LYP和HSS试件滞回曲线的挤缩现象较轻，表明LSPSW具有更高的耗能能力。 虽然NW试件的墙板采用Q235B型钢而HSS试件采用加劲肋，但三个试件的整体承载力差异不大。 这主要是因为低屈服点钢材具有明显的循环强化特征，带加强筋的高速钢试件柱脚焊缝早期开裂。 NW试件在推拉方向上的层间位移角范围明显小于LYP和HSS试件，表明LSPSW具有非常高的延展性。

图6 层间位移角荷载滞回曲线

图7(a)显示了等效粘性阻尼系数随E点和F点距离增加的变化。 与NW试件相比，θ=0.03rad时的值分别高出12.5%和19.2%，表明采用低屈服点钢墙板的SPSW具有更好的耗能能力。 图7(b)显示了累积能量耗散与累积层间位移角(每个周期对应的累积值)之间的关系。 LYP和HSS试件的总累计能耗分别比NW试件高24%和56%。 可见，低屈服点钢优越的延展性和设置钢管加强筋的策略有利于耗散更多的系统能量。

图7 能源消费能力

数值模拟

SPSW数值模型基于ABAQUS中的S4R壳单元建立，如图 8所示。选择ABAQUS/Explicit动态模块进行分析，采用Chaboche提出的循环本构模型，混合循环强化准则包括考虑了非线性各向同性强化特性和从动强化特性。 模型的边界条件和加载过程与实验一致。 HSS模型中，试验中分别采用硬接触和库仑摩擦模拟钢管与墙板的法向接触和切向接触，摩擦系数设置为0.3。 采用点对点耦合方法模拟钢管与墙板之间的螺栓连接。 对网格进行敏感性分析，最终选择网格尺寸为30 mm。

图 8 数值建模

通过数值模拟得到的滞回曲线与试验结果一致，如图9所示。由于试验装置中的地梁采用压梁和地脚螺栓固定，试验过程中出现打滑现象，导致重载时出现夹伤。曲线。 从图10可以看出，壳单元数值模型能够较为准确地模拟墙板形成的拉力场和柱的局部屈曲。 等效塑性应变PEEQ值较大的位置与试验中墙板裂纹（油漆剥落）的位置基本一致。 试验中，柱翼缘局部屈曲和柱腹板灰色油漆剥落的位置对应着较大的Von Mises应力值。 综上所述，所提出的数值模拟方法可以有效模拟SPSW的抗震性能，为进一步的数值分析提供可靠的工具。

图9 迟滞曲线对比

图10 损伤模式对比

分析结论

通过对三个钢板剪力墙试件进行循环荷载试验，讨论了LSPSW结构的抗震性能，并研究了钢管加劲肋的性能改进效果。 通过实验结果验证了所提出的数值建模方法，并研究了板框相互作用。 实验和数值结果表明，与NW试件相比，LYP试件采用低屈服点钢材显着提高了SPSW的延性和耗能能力，延缓了墙板的撕裂，减少了墙板的残余变形。 ，恢复性更高，累积塑性变形分布更均匀。 高速钢中钢管加劲肋的应用进一步增强了LSPSW的耗能能力，有效抑制了墙板的面外变形，减少了拉力带对边柱的影响。 板框相互作用分析表明，采用低屈服点钢作为墙板时，边框对抗剪和耗能的贡献更大。 边界框架承受的剪力比例高达65%~70%。 设计过程中应考虑优化预埋钢板和边框的几何尺寸，以优化结构性能和材料利用率。

研究组相关论文

[1] 王明, 杨文刚. 钢板剪力墙结构抗震性能及施工细节与材料[J]. 建筑钢研究，2015，107：194-210。

[2] 王明，Borello DJ，Fahnestock L A. 耦合和非耦合钢板剪力墙中的边界框架贡献[J]. 地震工程与结构动力学, 2017, 46(14): 2355-2380.

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结尾