加劲肋和防屈曲对变缝钢板剪力墙受力性能的影响

马良，王义荧，刘彦

（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319；2.东北石油大学土木建筑工程学院；3.黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室）

加劲肋和防屈曲对变缝钢板剪力墙受力性能的影响

马良1，王义荧2，3，刘彦2，3

（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319；2.东北石油大学土木建筑工程学院；3.黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室）

为了研究加劲肋和防屈曲措施对变缝钢板剪力墙受力性能的影响，应用有限元软件ADINA建立12 mm厚的变缝钢板剪力墙模型并分别在模型两侧布置加劲肋和在模型上施加面外防屈曲措施，模拟并分析两侧加劲肋和面外防屈曲措施对变缝钢板剪力墙受力性能的影响。分析结果表明：两侧加劲肋可以提高模型的受力性能，延迟模型发生过早的捏拢现象，端部出现了应力集中现象；面外防屈曲措施的施加既可以明显改善模型的受力性能，又可以使模型在加载全程都具有良好的耗能能力，应力、应变区域发生了相应的减小。

钢板剪力墙；加劲肋；防屈曲；受力性能

开缝钢板剪力墙是指在一片完整的钢板剪力墙上通过一定的方法使其开设出单排或者若干排并列的壁柱。这样一来，当外力施加到墙体上面时，墙体便由以弯曲变形为主代替原来的面内剪切变形，这使得墙体的受力性能在某种程度上得到了改良。通过大量文献[1-4]研究表明，纯钢板剪力墙在受力过程中，墙体中间区域的应力变化是最大的，即使做一些调整[5-7]也未能很好地解决这一问题。针对这种情况，文献[8]研究了几种变缝形式的钢板剪力墙，如图1所示，在其基础上，研究了加劲肋和防屈曲对其受力性能的影响。

1 加劲肋对变缝钢板剪力墙受力性能的影响

1.1 模型的建立

应用ADINA软件建立外轮廓尺寸与文献 [8]完全相同的12 mm厚的变缝钢板剪力墙模型，且前者无加劲，后者有加劲。CONVENTIONAL 02、TYPE A02和TYPE B02分别为无加劲12 mm厚的传统带缝钢板剪力墙、A类变缝钢板剪力墙和B类变缝钢板剪力墙。CONVENTIONAL 03、TYPE A03和TYPE B03分别表示传统的加劲开缝钢板剪力墙、加劲A类变缝钢板剪力墙和加劲B类变缝钢板剪力墙，其中加劲肋尺寸：tf=t=12 mm、bf=225 mm，具体有限元模型见图1。

图1 两侧加劲肋变缝钢板剪力墙模型Fig.1 Models of stiffened steel plate shear wall with variable slits

CONVENTIONAL 03墙板各缝间的距离相等，即160 mm。缝间的壁柱宽为150 mm，高为1 200 mm，上、下端无缝区的高均为700 mm。TYPE A03最外部的开缝尺寸与CONVENTIONAL 03相同，缝隙高度由外向内逐渐降低，最外侧高度为1 200 mm，中间高度为最外侧的1/3。TYPE B03与CONVENTIONAL 03相比开缝数相同，壁柱宽度由外向内宽度逐级增大，最外侧壁柱的宽度为112.5 mm，中间宽度为375 mm。

图2 材料的本构关系Fig.2 Constitutive relation of materials

模型选用SHELL四节点单元，映射网格划分，屈服强度fy=235 MPa，弹性模量E=2.06×103MPa，泊松比为0.3，选择双线性随动强化模型，强化模量取弹性模量的1/200（如图2）。模型墙体底部全部固定，上端在受力方向可以水平滑动。在模型的顶端施加加载函数如图3所示的水平周期往复荷载。

图3 加载函数Fig.3 Loading function

1.2 滞回曲线对比分析

通过设置两侧加劲肋在带缝钢板剪力墙的两侧加以约束，以此提高墙体的初始刚度，更好地发挥墙体屈曲后的受力性能。主要研究加劲肋对三种不同开缝形式的带缝钢板剪力墙的受力性能的影响。

由图4、图5和图6可以看出所有加劲肋的模型在加载后期滞回环均由梭形变成了Z形，耗能能力也出现了大幅度的下降，但要比无加劲肋的模型变化的更缓慢，说明加劲肋的模型在早期耗能能力要比无加劲肋的模型要稍好一些。

由表1可以看出，两侧加劲肋的模型的初始刚度与无加劲模型相比略有提高，其中CON03比CON02提高了13.9%，A03比A02提高了3.7%，B03 比B02提高了7.3%。

图4 CON滞回曲线对比Fig.4 Comparison on hysteresis curve of CON

图5 TYPE A滞回曲线对比Fig.5 Comparison on hysteresis curve of TYPE A

图6 TYPE B滞回曲线对比Fig.6 Comparison on hysteresis curve of TYPE B

1.3 耗能系数对比分析

云城乳业转型发展取得了成功，传统农业企业实现了华丽转身。如今，云城乳业的现代农业园区已被省市列为现代农业示范园区。

由表1可以看出，加劲肋带缝钢板剪力墙的耗能系数相较于无加劲肋带缝钢板剪力墙有所提高，其中CON03与CON02相比提高了16.7%，A03与A02相比提高了 10.8%，B03与 B02相比提高了15.7%。

1.4 骨架曲线对比分析

由图7、图8和图9可以看出，两侧加劲肋模型在屈服之前力学性能和无加劲肋模型相比，并没有明显的变化，但是当模型屈服后，各阶段的承载力都相应地提高了（见表1）。就极限承载力而言，CON03 比CON02提高了13.6%，A03比A02提高了8.4%，B03比B02提高了13.2%。

图7 CON02与CON03骨架曲线对比Fig.7 Comparison on skeleton curve of C0N02 and C0N03

图8 A02与A03骨架曲线对比Fig.8 Comparison on skeleton curve of A02 and A03

图9 B02与B03骨架曲线对比Fig.9 Comparison of skeleton curve of B02 and B03

1.5 应力云图对比分析

图10和图11为位移加载为3%时的等效应力云图，对比图10和图11可以发现，所有模型在两侧加劲肋后均发生了明显变化：加劲肋附近的壁柱缝端应变有所增加，中间部分的应变区域减小，相应的应力集中现象也有减少。还可以看出CONVENTIONAL类型的模型应变最大点主要发生在两端，故撕裂破坏首先从两端开始；而在TYPE A和TYPE B类型的模型中，应变最大点主要发生在了两端和中间区域，所以撕裂破坏最可能首先发生在两端和中间区域。

图10 12 mm无加劲变缝模型的应力图Fig.10 Plots on stress of unstiffened steel shear wall models with 12 mm thickness

图11 12mm两侧加劲变缝模型的应力图Fig.11 Plots on stress of stiffened steel shear wall models with 12 mm thickness

表1 受力性能计算结果汇总Table 1 Summary of the calculation results of the stress performance

2 面外防屈曲对变缝钢板剪力墙受力性能的影响

为了研究面外防屈曲措施对变缝钢板剪力墙受力性能的影响，仍取用文献[8]的12 mm厚的变缝无加劲模型，研究其受力性能在施加防屈曲措施后会发生什么变化。

2.1 建立模型

2.2 滞回曲线对比分析

由图12、图13和图14可以看出，设置面外防屈曲措施后无加劲肋变缝钢板剪力墙模型在加载全程滞回环均十分饱满，呈现梭形，没有发生捏拢现象，说明其耗能能力非常好。

图12 CONVENTIONAL滞回曲线对比Fig.12 Comparison on hysteresis curve of CONVENTIONAL

图13 TYPE A滞回曲线对比Fig.13 Comparison on hysteresis curve of TYPE A

图14 TYPE B滞回曲线对比Fig.14 Comparison of hysteresis curve of TYPE B

由表1可以发现设置面外防屈曲的钢板剪力墙模型的初始刚度和相应不设置防屈曲的模型相比略有提高，其中CON04与CON02相比提高了2.8%，A04与A02相比提高了0.4%，B04与B02相比提高了2.8%。

2.3 耗能系数对比分析

由表1可见，在设置面外防屈曲措施后，带缝钢板剪力墙的耗能系数均有很大的提高。其中CON04 与CON02相比提高了171.6%，A04与A02相比提高了150.8%，B03与B02相比提高了176.5%。

2.4 骨架曲线对比分析

图15 CONVENTIONAL骨架曲线对比Fig.15 Comparison on hysteresis curve of CONVENTIONAL

图16 TYPE A骨架曲线对比Fig.16 Comparison on hysteresis curve of TYPE A

图17 TYPE B骨架曲线对比Fig.17 Comparison on hysteresis curve of TYPE B

由图15、图16和图17可以看出，设置面外防屈曲的带缝钢板剪力墙模型与不设防屈曲的模型相比，在屈服之前力学性能没有明显的变化，但当模型屈服后，各阶段的承载力都得到了相应的提高（见表1）。就极限承载力而言，CONVENTIONAL04与CONVENTIONAL02相比提高了7.1%，TYPE A04与TYPE A02相比提高了7.4%，TYPE B04与TYPE B02相比提高了16.3%。

2.5 应力云图对比分析

图18和图19为位移加载为3%时的等效应力云图，由图18和图19对比可以发现，设置面外防屈曲措施后，带缝钢板剪力墙模型在加载达到3%时，应力和应变的分布位置与不设防屈曲的模型大致相同，但分布面积均比相应的不设防屈曲的模型的小。结果表明设置面外防屈曲的模型没有完全发挥出受力性能，有更大的潜在的发挥空间，受力性能比较优越。

图18 12 mm无加劲变缝模型的应力图Fig.18 Plots on stress of 12 mm thickness of steel shear wall models without buckling-resisting

3 结论

在无加劲肋变缝钢板剪力墙的基础上，利用有限元软件ADINA对其分别进行设置加劲肋和面外防屈曲措施的改进，并进行有限元分析。根据分析结果，得到以下几点结论：

（1）两侧加劲肋可以提高变缝钢板剪力墙的初始刚度、耗能系数以及承载能力，减小板中心的应力集中现象，延迟模型发生过早的捏拢现象；

（2）面外防屈曲措施的施加，不仅可以改善模型的受力性能，同时使模型在加载全程都具有良好的耗能能力；

（3）通过应力云图的对比可以发现两侧加劲后，端部出现了应力集中的现象。在面外设置防屈曲措施后，应力、应变区域发生了相应的减小，受力性能得到了明显的提高；

（4）通过滞回曲线、耗能系数和骨架曲线的综合对比可以发现，TYPE A类型各方面的性能都十分优越，而TYPE B的性能与CONVENTIONAL相比虽然初始刚度和破坏荷载稍高，但耗能能力远不如CONVENTIONAL，所以在开缝条数相同的情况下不建议采取TYPE B的开缝形式。

［1］董子建.非加劲钢板剪力墙试验与理论研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2005.

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［4］Rober G D，Geoffrey L K，D J Laurie Kennedy，et al.Cyclic Test of Four-Sory Steel Plate Shear Wall［J］.Journal of Structural Engineering，1998，2001，22（1）：20-24.

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Influence of Stiffener and Buckling-Resisting on the Mechanical Properties of Steel Plate Shear Wall With Variable Slits

Ma Liang1，Wang Yiying2，3，Liu Yan2，3
（1.College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.College of Civil and Architecture Engineering，Northeast Petroleum University；3.Heilongjiang Key Laboratory of Disaster Prevention，Mitigation and Protection Engineering）

The finite element software ADINA was used to establish models of the steel shear wall with variable slits in order to investigate the influence of stiffener and buckling-resisting on the mechanical properties of the wall，of which the thickness was 12 mm. The stiffened and buckling-resisted models were simulated and analyzed respectively.The results showed that the mechanical properties of stiffened models improved on which the pinch phenomenon occurred later，and the stress concentration phenomenon occurred at the end of models，while the mechanical properties of buckling-resisted models improved.The process had enough faculty of consuming energy during the whole experiment，and the stress and strain decreased comparatively.

steel shear walls；stiffener；buckling-resisting；mechanical properties

TU392.4

A

1002-2090（2016）05-0099-06

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.05.020

2015-11-17

马良（1987-），男，助教，东北石油大学毕业，现主要从事主要教土木工程制图方面的教学与研究工作。