袁朝慶， 王義熒, 劉 彥

(1.東北石油大學 土木建筑工程學院， 黑龍江 大慶 163318；

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柱剛度對蜂窩鋼板剪力墻抗震性能的影響

袁朝慶1,2， 王義熒1,2, 劉 彥3

(1.東北石油大學 土木建筑工程學院， 黑龍江 大慶 163318；

2.黑龍江省防災減災及防護工程重點實驗室， 黑龍江 大慶 163318；

3.天津安裝工程有限公司， 天津 300061)

為了研究柱剛度對鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻抗震性能的影響，應用有限元軟件ADINA建立五個具有不同柱截面尺寸的單層鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻計算模型，分析其在水平往復荷載作用下的抗震性能。在單層計算模型的基礎上，選取三組模型建立三個不同柱剛度的12層鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻結構有限元計算模型，研究其在9度罕遇地震作用下的地震響應。結果表明：隨著柱剛度的增大，單層鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻的滯回性能、能量耗散系數(shù)和抗側剛度均逐漸增加；三種不同柱截面尺寸的12層鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻結構在9度罕遇地震作用下的層間位移角均未超過結構彈塑性層間位移角1/50的限值，結構均未發(fā)生破壞，抗震性能良好。

蜂窩鋼板剪力墻； 地震響應； 柱剛度

0 引 言

隨著鋼結構的廣泛應用，鋼板剪力墻結構在抗震中表現(xiàn)出良好的抗震性能，因而成為一種新型抗側力體系[1-2]。目前，我國學者致力于研究新型建筑結構形式，如帶縫鋼板剪力墻和開洞鋼板剪力墻[3-5]，旨在通過降低鋼板的剛度來增加其延性，提高結構的抗震能力。鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻通過在內嵌鋼板上開設蜂窩形排列的孔以達到結構耗能的目的。以往對帶縫鋼板剪力墻、開洞鋼板剪力墻及蜂窩鋼板剪力墻的性能分析，多采用實驗方法和有限元分析法。為證明有限元分析方法對蜂窩鋼板剪力墻性能分析的可行性，文獻[6]建立了與文獻[7]中實驗模型相同的框架-開孔鋼板剪力墻有限元模型，并對其進行了性能分析，有限元分析結果與實驗結果吻合較好。為此，筆者利用有限元軟件ADINA建立鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻有限元模型，并通過改變模型中框架柱的截面尺寸研究柱剛度對其抗震性能的影響。

1 模型建立與地震波選取

1.1 模型建立

1.1.1 單層蜂窩鋼板剪力墻

填充鋼板采用Q235鋼材，鋼框架采用Q345鋼材，其彈性模量均為206 GPa，泊松比均定義為0.3，鋼材本構關系采用雙線性隨動強化模型。填充鋼板的開孔率取為7.6%，高厚比均為200，軸壓比均為0.2。為了滿足“強柱弱梁”的設計要求，鋼框架梁采用Q345H250 mm×125 mm×6 mm×9 mm的型鋼，鋼框架柱分別采用Q345H200 mm×200 mm×8 mm×12 mm、Q345H250 mm×250 mm×9 mm×14 mm、Q345H300 mm×300 mm×10 mm×15 mm、Q345H400 mm×400 mm×13 mm×21 mm、Q345H500 mm×300 mm×12 mm×16 mm的型鋼，依次用B、B1、B2、B3、B4來表示，有限元模型如圖1a所示。B1、B2、B3、B4的截面慣性矩依次是B的2.29、4.32、14.18和14.42倍，而截面面積依次是B的1.45、1.88、3.46和2.45倍。鋼填充板單元與鋼框架完全固結，結構下端全部固定，上端只約束平面外位移，左右兩邊均自由。將各個面劃分為長度相等的不同份數(shù)，孔周圍每份劃分長度為0.02 m，而其余的長度均為0.05 m。

1.1.2 12層蜂窩鋼板剪力墻

a 單層蜂窩鋼板 b 12層蜂窩鋼板

1.2 往復荷載與地震波選取

在單層蜂窩鋼板剪力墻上施加的往復荷載如圖2所示。

圖2 加載制度

文中選取EL-Centro波、人工波和Taft波(II類場地)作為12層蜂窩鋼板剪力墻的輸入地震波，如圖3所示，時間間隔為0.02 s，持續(xù)時間為10 s，峰值加速度依次為3.417、1.960和1.527 m/s2。9度罕遇地震下的地震加速度峰值為620 cm/s2。分析時，需要按地震波輸入要求對文中選取的三種地震波幅值進行調整。

2 單層蜂窩鋼板剪力墻的滯回性能

單層鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻滯回曲線、能量耗散系數(shù)、骨架曲線分別如圖4～6所示，其中F為底部剪力，Sd為頂點位移。

a EL-Centro波

b Taft波

c 人工波

圖4 滯回曲線

由圖4可知，在同一水平位移荷載作用下，隨著柱截面慣性矩的逐漸增大，柱對內嵌鋼板的約束增強，鋼板剛度有少許提高，鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻結構滯回環(huán)所包圍的面積逐漸增大，并且結構捏縮現(xiàn)象逐漸減弱。

圖5 能量耗散系數(shù)

由圖5可知，隨著柱剛度的增大，結構的能量耗散系數(shù)逐漸增大，且隨著位移荷載的增大而增大。當位移荷載為15 mm時出現(xiàn)了轉折，在15 mm前，能量耗散系數(shù)隨著位移增大增速較快；在15 mm后，B1、B2、B3、B4的能量耗散系數(shù)依次是B的1.04、1.08、1.28和1.32倍，能量耗散系數(shù)隨著位移增大增速較慢；當位移荷載達到52 mm時，結構均發(fā)生破壞，此時，B1、B2、B3、B4的能量耗散系數(shù)依次達到B的1.03、1.04、1.22和1.29倍。

圖6 骨架曲線

由圖6可知，隨著柱剛度的增大，結構的承載力逐漸增大，在位移荷載小于5 mm之前呈線性，當位移荷載達到8 mm后，承載力基本穩(wěn)定，但B、B3和B4在15 mm之后呈現(xiàn)出下降走勢，且B的承載力下降較為明顯，B3和B4的承載力相差不大，但是B4的截面面積是B3的0.71倍，更符合經(jīng)濟性。

由以上分析可知，在同一水平位移荷載作用下，隨著框架柱截面慣性矩的逐漸增大，鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻結構滯回性能、能量耗散系數(shù)以及抗側剛度均有所增加，但當邊緣框架柱截面慣性矩增大幅度小于5倍時，能量耗散系數(shù)增加不超過10%，在達到一定位移荷載之后，骨架曲線基本穩(wěn)定；而當框架柱截面慣性矩增大14倍左右時，能量耗散系數(shù)增大30%左右，在達到一定位移荷載之后，骨架曲線反而呈現(xiàn)出下降趨勢。

3 柱剛度對剪力墻結構抗震性能的影響

3.1 加速度時程

12層鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻三種結構在三種罕遇地震波作用下的頂點最大加速度時程曲線如圖7所示。

a EL-Centro波

b Taft波

c 人工波

Fig. 7 Absolute maximum acceleration value of vertex under different waves

3.2 位移時程

三種結構在三種罕遇地震波作用下的頂點最大位移時程曲線如圖8所示。

a EL-Centro波

b Taft波

c 人工波

Fig. 8 Maximum displacement time history curves of vertex under different waves

3.3 層間位移角響應

由結構在三種多遇地震波作用下的頂點最大位移時程曲線可得樓層最大側向位移(smax)及樓層層間位移角，如表1、2所示，據(jù)此繪制曲線如圖9、10所示。

表1 不同波作用下樓層最大側向位移

表2 不同波作用下樓層層間位移角

a EL-Centro波

b Taft波

c 人工波

Fig. 9 Maximum lateral displacement of floor under different waves

a EL-Centro波

b Taft波

c 人工波

4 結 論

(1)單層蜂窩鋼板剪力墻在同一水平位移荷載作用下，隨著框架柱截面慣性矩的逐漸增大，鋼框架-蜂窩鋼板剪力墻結構滯回性能、能量耗散系數(shù)均有所增加，但出于經(jīng)濟性的考慮，邊緣框架柱的截面尺寸不必選取過大，且盡量選取較窄翼緣的型鋼。

(2)三種不同地震波作用下的12層蜂窩鋼板剪力墻，加速度響應、頂點位移響應、最大樓層位移及層間位移角隨柱剛度的變化規(guī)律均不盡相同，但總體而言，在同一種地震波的作用下，結構的加速度響應隨柱剛度的增加而增加，頂點位移響應、最大樓層位移和層間位移角則有所降低。

(3)三種不同柱剛度的蜂窩鋼板剪力墻結構在9度罕遇地震作用下均未發(fā)生破壞，抗震性能良好。

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(編校 荀海鑫)

Effect of column stiffness on seismic performance of honeycomb shaped steel plate shear wall

YuanZhaoqing1,2，WangYiying1,2，LiuYan3

(1.School of Civil & Architecture Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;2.Heilongjiang Key Laboratory of Disaster Prevention, Mitigation & Protection Engineering, Daqing 163318, China;3.Tianjin Installation Engineering Limited Company, Tianjin 300061, China)

This paper is devoted to investigating the effects of columns’ stiffness on the seismic performance of steel frame-honeycomb shaped steel plate shear wall. The research is composed of using finite element software ADINA to develop five one-storey steel frame with different section sizes of column-computation models for honeycomb-shaped steel plate shear wall and thereby analyzing the seismic behavior when subjected to the cyclic load; based on one-storey computation models, developing three twelve-storey steel frame-honeycomb shaped steel plate shear wall models and analyzing the seismic response of which under the rare earthquake of 9 degrees. The results demonstrate that an increase in column stiffness is accompanied by a gradual increase in the hysteretic behavior, energy dissipation coefficient, and lateral stiffness of one-storey steel frame-honeycomb-shaped steel plate shear wall. The interlayer drift angle of three twelve-storey steel frame-honeycomb shaped steel plate shear wall with different size of columns when exposed to the rare earthquake of 9 degrees does not exceed the limit value of 1/50, demonstrating the advantages accompanying the structure, such as the freedom from damage and a better seismic performance.

honeycomb shaped steel plate shear wall; seismic response; column stiffness

2016-06-25

東北石油大學研究生創(chuàng)新科研項目(YJSCX2015-035NEPU)

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

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.008

TU398.2

2095-7262(2016)05-0506-07

A