袁朝慶，　王義熒，　王志遠(yuǎn)，　劉　燕，　馬　良

(1.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318；2.黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程重點(diǎn)實驗室， 黑龍江 大慶 163318；3.廣州市魯班建筑集團(tuán)股份有限公司， 廣州 510075；4.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163319)

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鋼框架-帶縫鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)

袁朝慶1,2，王義熒1,2，王志遠(yuǎn)3，劉燕1，馬良4

(1.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318；2.黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程重點(diǎn)實驗室， 黑龍江 大慶 163318；3.廣州市魯班建筑集團(tuán)股份有限公司， 廣州 510075；4.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163319)

為確定鋼框架-帶縫鋼板剪力墻在8度多遇和罕遇地震作用下的抗震性能，利用ADINA有限元軟件，建立受荷條件相同的10層鋼框架和10層鋼框架-帶縫鋼板剪力墻模型，運(yùn)用非線性分析方法對其在EL-Centro波、Taft波及人工波作用下的地震響應(yīng)進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明：震害不僅與地震波加速度峰值、持續(xù)時間有關(guān)，還與地震波波形有關(guān)；同種地震作用下，鋼框架-帶縫鋼板剪力墻的薄弱層部位比鋼框架的高，但同種結(jié)構(gòu)在多遇和罕遇地震作用下的薄弱層部位大致相同；兩種結(jié)構(gòu)在8度地震作用下均未發(fā)生倒塌，且在同種地震波作用下鋼框架-帶縫鋼板剪力墻的層間位移角小于鋼框架，證明鋼框架-帶縫鋼板剪力墻具有良好的抗震性能。

鋼框架-帶縫鋼板剪力墻； 地震響應(yīng)； ADINA

隨著鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑中應(yīng)用的逐漸普及，鋼框架結(jié)構(gòu)在地震作用下逐漸表現(xiàn)出抗側(cè)剛度難以滿足要求的問題。為了解決這一難題，很多學(xué)者在鋼框架內(nèi)鑲嵌帶縫鋼板[1-2]、開孔鋼板[3]和開洞鋼板[4]等，在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的同時滿足結(jié)構(gòu)耗能的要求。其中，帶縫鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)能夠有效地增加鋼框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，且抗震性能良好。目前，很多學(xué)者對帶縫鋼板剪力墻進(jìn)行了研究[5-6]，但對其破壞機(jī)理以及合理的抗震構(gòu)造措施有待進(jìn)一步探索。因此，筆者在文獻(xiàn)[2]的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ADINA對鋼框架-帶縫鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析。

1　模型建立與地震波選取

1.1模型建立

為分析帶縫鋼板的作用，應(yīng)用有限元軟件ADINA[2]建立受荷條件相同的10層鋼框架結(jié)構(gòu)模型(簡寫為KJ)和10層鋼框架-帶縫鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)模型(簡寫為QT)，如圖1所示，8度抗震，Ⅱ類場地，層高均為2.6 m，鋼框架跨度為6.0 m，鋼筋混凝土樓板厚150.0 mm，屋面活荷標(biāo)準(zhǔn)值2.0 kN/m2。

帶縫鋼板采用Q235鋼；框架梁、柱均采用Q345鋼，為了保證強(qiáng)柱弱梁的要求，框架梁尺寸為H400 mm×200 mm×10 mm×14 mm、框架柱尺寸為H400 mm×400 mm×14 mm×22 mm[6]。選用截面尺寸為100 mm×100 mm×10 mm的冷彎方鋼管作為試件的邊緣加勁[7]。模型邊界為上端面內(nèi)自由，下端固定。在板縫的端部網(wǎng)格長為0.01 m，板的其他部位為0.15 m；柱腹板和翼緣網(wǎng)格長為0.40 m；梁腹板網(wǎng)格長為0.10 m，翼緣為0.20 m。兩種鋼材的本構(gòu)模型均采用標(biāo)準(zhǔn)三折線模型。帶縫鋼板長3 030 mm，厚12 mm，包括19條墻肢，寬150 mm，高750 mm，上壁高300 mm，下壁高300 mm，中間壁高500 mm。

a　KJ模型　　　　b　QT模型

1.2地震波選取

依據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[8]的規(guī)定，選擇適用于II類場地的實際強(qiáng)震記錄EL-Centro波、Taft波和一條人工波，時間間隔均為0.02 s，持時均為16 s，峰值加速度依次為3.417、1.527和1.960 m/s2，如圖2所示。三種地震波的地震峰值最大加速度與規(guī)范規(guī)定的多遇和罕遇地震波峰值不一致，需要根據(jù)規(guī)范[8]規(guī)定進(jìn)行調(diào)整，即在8度多遇地震作用下為70(110) cm/s2，在8度罕遇地震作用下為400(510) cm/s2，括號內(nèi)數(shù)值分別用于設(shè)計基本地震加速度為0.15g和0.30g的地區(qū)。

a　EL-Centro波

b　Taft波

c　人工波

2　結(jié)構(gòu)多遇地震響應(yīng)分析

2.1加速度時程

對KJ和QT施加三種多遇地震波，得到相應(yīng)的頂點(diǎn)最大加速度時程曲線，如圖3和4所示。

a　EL-Centro波

b　人工波

c　Taft波

Fig. 3Peak maximum acceleration time history curves of KJ

從圖3和4中可以看出，雖然三種地震波加速度輸入峰值一致，作用時間相同，但提取的三種地震波作用下的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)絕對最大加速度值卻相差很大，說明結(jié)構(gòu)的加速度地震響應(yīng)不僅與持續(xù)時間、加速度峰值有關(guān)，還與地震加速度波形有關(guān)。KJ和QT在同一種地震波作用下輸出的頂點(diǎn)最大加速度時程曲線形狀極為相似，在EL-Centro波、人工波和Taft波作用下輸出的頂點(diǎn)絕對最大加速度依次為1.175與2.218、0.754與0.974以及1.098與2.483 m/s2。在同一種地震波作用下，QT的加速度值比KJ大，這主要是由于帶縫鋼板的存在使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度有所增加，從而增大了結(jié)構(gòu)在地震作用下的加速度響應(yīng)。

a　EL-Centro波

b　人工波

c　Taft波

Fig. 4Peak maximum acceleration time history curves of QT

2.2位移時程

對KJ和QT施加三種多遇地震波，可得到結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)最大位移時程曲線如圖5和6所示。 從圖5和6中可以看出，頂點(diǎn)最大位移時程曲線峰值相對于輸入的地震波加速度峰值出現(xiàn)了滯后現(xiàn)象，說明結(jié)構(gòu)在受到地震時，能量是逐漸傳遞至結(jié)構(gòu)頂端的；在EL-Centro波、人工波和Taft波作用下，KJ的頂點(diǎn)最大位移值依次為0.051、0.015和0.040 m，QT的頂點(diǎn)最大位移值依次為0.033，0.009和0.037 m，QT的頂點(diǎn)最大位移均小于KJ，依次是KJ的0.65、0.60和0.93倍，說明結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移響應(yīng)不僅與持續(xù)時間、加速度峰值有關(guān)，還與地震的加速度波形有關(guān)，而且結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的增加可以有效減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移響應(yīng)。

由結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)最大位移時程曲線可得樓層最大側(cè)向位移及樓層層間位移角，如表1和2所示。

a　EL-Centro波

b　人工波

c　Taft波

Fig. 5Peak maximum displacement time history curves of KJ

a　EL-Centro波

b　人工波

c　Taft波

Fig. 6Peak maximum displacement time history curves of QT

表1　樓層最大側(cè)向位移

表2　樓層層間位移角

2.3層間位移角響應(yīng)

依據(jù)表1和2數(shù)據(jù)繪制成樓層最大側(cè)向位移圖及樓層層間位移角圖，如圖7和8所示。

從圖7和8中可以看出，在三種多遇地震波的作用下，KJ的薄弱層位置大致出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)高度的1/3左右， 最大的層間位移角為1/370， 而QT的薄弱層位置大致出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)高度的1/2左右，最大的層間位移角為1/625，層間位移角均小于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[8]中所規(guī)定的層間角位移限值1/250，因此，結(jié)構(gòu)在8度多遇地震作用下滿足“小震不壞”的設(shè)計要求。QT的層間位移角均小于KJ，且最大值為KJ最大層間位移角的0.59倍，說明側(cè)向剛度對結(jié)構(gòu)在地震作用下的樓層層間位移角影響非常大，側(cè)向剛度越大，結(jié)構(gòu)層間位移角越小。

a　KJ

b　QT

a　KJ

b　QT

3　結(jié)構(gòu)罕遇地震響應(yīng)分析

3.1加速度時程

對KJ和QT施加三種罕遇地震波，可得到結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)最大加速度時程曲線，如圖9和10所示。

由圖9和10可知，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的頂點(diǎn)最大加速度時程曲線形狀與多遇地震作用下的極為相似，只是加速度響應(yīng)更為劇烈。

a　EL-Centro波

b　人工波

c　Taft波

Fig. 9Peak maximum acceleration time history curves of KJ

b　人工波

c　Taft波

在EL-Centro波、人工波、Taft波作用下，KJ和QT的頂點(diǎn)絕對加速度罕遇響應(yīng)峰值依次為6.409與11.206、4.305與5.393以及6.106與13.169 m/s2，分別是多遇地震響應(yīng)峰值的5.45與5.05、5.71與5.53以及5.56與5.30倍。在同一種地震波作用下，QT的加速度峰值大于KJ，QT在EL-Centro波、人工波、Taft波作用下的頂點(diǎn)最大加速度依次為KJ的1.75、1.25、2.16倍，說明結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的增加會使地震作用下的加速度響應(yīng)變大。

3.2位移時程

對KJ和QT施加三種罕遇地震波，得結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大位移時程曲線如圖11、12所示。由曲線可得樓層最大側(cè)向位移及樓層層間位移角，數(shù)據(jù)匯總到表3和4。

a　EL-Centro波

b　人工波

c　Taft波

Fig. 11Peak maximum displacement time history curves of KJ

a　EL-Centro波

b　人工波

c　Taft波

Fig. 12Peak maximum displacement time history curves of QT

表3　樓層最大側(cè)向位移

由圖11和12可以看出，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的頂點(diǎn)最大位移時程曲線形狀與多遇地震作用下的極為相似，但罕遇地震作用下的位移明顯大于多遇地震作用下的位移。在EL-Centro波、人工波、Taft波作用下，KJ的頂點(diǎn)最大位移依次為0.272、0.080、0.223 m，QT的頂點(diǎn)最大位移依次為0.162、0.046、0.188 m，分別是多遇地震響應(yīng)峰值的5.30、5.30、5.66與4.90、5.11、5.08倍。在同一種地震波作用下，QT的頂點(diǎn)最大位移小于KJ，在EL-Centro波、人工波、Taft波作用下的頂點(diǎn)最大位移依次為KJ的0.60、0.57、0.84倍，說明結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的增加會明顯減小結(jié)構(gòu)地震作用下的位移響應(yīng)。

a　KJ

b　QT

3.3層間位移角響應(yīng)

由表3和4數(shù)據(jù)繪制成樓層最大側(cè)向位移圖及樓層層間位移角圖，如圖13和14所示。從圖13和14可以看出，在三種多遇地震波的作用下，KJ的薄弱層位置大致出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)高度的1/3左右，最大的層間位移角為1/68，而QT的薄弱層位置大致出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)高度的1/2左右，最大的層間位移角為1/122，層間位移角均小于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[8]中所規(guī)定的層間角位移限值1/50，因此，結(jié)構(gòu)在8度罕遇地震作用下滿足“小震不壞”的設(shè)計要求。QT的層間位移角均小于KJ，且最大值為KJ最大層間位移角的0.56倍，說明側(cè)向剛度對結(jié)構(gòu)在地震作用下的樓層層間位移角影響非常大，側(cè)向剛度越大，結(jié)構(gòu)層間位移角越小。

a　KJ

b　QT

4　結(jié)　論

以ADINA有限元軟件為基礎(chǔ)，對鋼框架-帶縫鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究，以探究其在地震作用下的破壞機(jī)理，得出如下結(jié)論：

(1)在同種地震波作用下，10層鋼框架結(jié)構(gòu)的薄弱層部位處于結(jié)構(gòu)的1/3左右，而10層鋼框架-帶縫鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)由于帶縫鋼板的存在，增大了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，使得薄弱層部位處于結(jié)構(gòu)的1/2左右。

(2)結(jié)構(gòu)在罕遇地震波作用下的加速度及位移響應(yīng)是多遇地震波作用下的五倍左右，但結(jié)構(gòu)的薄弱層部位大致相同。

(3)在模擬分析過程中，兩種結(jié)構(gòu)在8度多遇和罕遇地震作用下均未發(fā)生破壞，且在同種地震波作用下，鋼框架-帶縫鋼板剪力墻的層間位移角小于鋼框架，證明鋼框架-帶縫鋼板剪力墻具有良好的抗震性能。

[1]HITAKA T， MATSUI C．Experimental study on steel shear wall with slits[J]． Journal of Structural Engineering， 2003， 129(5):586-595．

[2]袁朝慶， 劉彥， 王義熒． 鋼框架-帶縫鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能研究[J]． 工程抗震與加固改造， 2016， 38(2): 25-31．

[3]袁朝慶， 王義熒， 劉彥． 蜂窩鋼板剪力墻地震響應(yīng)分析[J]． 黑龍江科技大學(xué)學(xué)報， 2016， 26(3): 277-283．

[4]朱力， 聶建國， 樊建生． 開洞鋼板剪力墻的抗側(cè)剛度分析[J]． 工程力學(xué)， 2013, 30(9): 200-210．

[5]陸金鈺， 唐屹， 舒贛平， 等． 框架-新型帶縫鋼板剪力墻抗震性能數(shù)值分析[J]． 土木工程學(xué)報， 2014， 47(S2): 14-20．

[6]陳以一， 蔣路． 帶縫鋼板剪力墻的承載力和開縫參數(shù)研究[J]． 建筑科學(xué)與工程學(xué)報， 2010， 27(3): 109-114．

[7]沈巍巍． 帶縫鋼板剪力墻彈性簡化模型研究[D]． 西安： 西安建筑科技大學(xué)， 2009．

[8]中華人民共和國建設(shè)部. GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]． 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2010．

(編輯王冬)

Study on seismic performance of steel frame-steel plate shear wall with slits

YUANZhaoqing1,2，WANGYiying1,2，WANGZhiyuan3，LIUYan1，MALiang4

(1.School of Civil Engineering & Architecture, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;2.Heilongjiang Key Laboratory of Disaster Prevention, Mitigation & Protection Engineering, Daqing 163318, China;3.Guangzhou Luban Construction Group Limited Company, Guangzhou 510075, China;4.College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

This paper is aimed at determining the seismic performance of steel frame-steel plate shear wall with slits exposed to frequent earthquakes and rare earthquakes of 8 degree. The research drawing on the finite element software ADINA builds a 10-storey steel frame model and a 10-storey steel frame-steel plate shear wall with slits model under the same load condition and simulates the seismic response of these models subjected to the EL-Centro wave, Taft wave and artificial wave by the method of nonlinear analysis. The results show that the damages are associated with seismic wave peak acceleration, duration, and the form of seismic wave; when acted on by the same earthquake, steel frame-steel plate shear wall with slits has a higher weak layer than does a steel frame, but the same structures under the frequent earthquake and rare earthquake have roughly the same weak layers; these two structures, subjected to 8 degree earthquake, experience no collapse; and the interlayer displacement angle is smaller in steel frame-steel plate shear wall with slits than in the steel frame under the same earthquake, suggesting that steel frame-steel plate shear wall with slits boasts a better seismic performance.

steel frame-steel plate shear wall with slits; seismic response; ADINA

2016-06-25

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12541054)

袁朝慶(1970-)，男，黑龍江省依安人，教授，博士，研究方向：工程結(jié)構(gòu)抗震，E-mail:yvq@sina.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.04.018

TU398.2

2095-7262(2016)04-0439-09

A