馬良，王義熒，劉彥

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2.東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院；3.黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)及防護工程重點實驗室）

加勁肋和防屈曲對變縫鋼板剪力墻受力性能的影響

馬良1，王義熒2，3，劉彥2，3

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2.東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院；3.黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)及防護工程重點實驗室）

為了研究加勁肋和防屈曲措施對變縫鋼板剪力墻受力性能的影響，應(yīng)用有限元軟件ADINA建立12 mm厚的變縫鋼板剪力墻模型并分別在模型兩側(cè)布置加勁肋和在模型上施加面外防屈曲措施，模擬并分析兩側(cè)加勁肋和面外防屈曲措施對變縫鋼板剪力墻受力性能的影響。分析結(jié)果表明：兩側(cè)加勁肋可以提高模型的受力性能，延遲模型發(fā)生過早的捏攏現(xiàn)象，端部出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象；面外防屈曲措施的施加既可以明顯改善模型的受力性能，又可以使模型在加載全程都具有良好的耗能能力，應(yīng)力、應(yīng)變區(qū)域發(fā)生了相應(yīng)的減小。

鋼板剪力墻；加勁肋；防屈曲；受力性能

開縫鋼板剪力墻是指在一片完整的鋼板剪力墻上通過一定的方法使其開設(shè)出單排或者若干排并列的壁柱。這樣一來，當(dāng)外力施加到墻體上面時，墻體便由以彎曲變形為主代替原來的面內(nèi)剪切變形，這使得墻體的受力性能在某種程度上得到了改良。通過大量文獻(xiàn)[1-4]研究表明，純鋼板剪力墻在受力過程中，墻體中間區(qū)域的應(yīng)力變化是最大的，即使做一些調(diào)整[5-7]也未能很好地解決這一問題。針對這種情況，文獻(xiàn)[8]研究了幾種變縫形式的鋼板剪力墻，如圖1所示，在其基礎(chǔ)上，研究了加勁肋和防屈曲對其受力性能的影響。

1 加勁肋對變縫鋼板剪力墻受力性能的影響

1.1 模型的建立

應(yīng)用ADINA軟件建立外輪廓尺寸與文獻(xiàn) [8]完全相同的12 mm厚的變縫鋼板剪力墻模型，且前者無加勁，后者有加勁。CONVENTIONAL 02、TYPE A02和TYPE B02分別為無加勁12 mm厚的傳統(tǒng)帶縫鋼板剪力墻、A類變縫鋼板剪力墻和B類變縫鋼板剪力墻。CONVENTIONAL 03、TYPE A03和TYPE B03分別表示傳統(tǒng)的加勁開縫鋼板剪力墻、加勁A類變縫鋼板剪力墻和加勁B類變縫鋼板剪力墻，其中加勁肋尺寸：tf=t=12 mm、bf=225 mm，具體有限元模型見圖1。

圖1 兩側(cè)加勁肋變縫鋼板剪力墻模型Fig.1 Models of stiffened steel plate shear wall with variable slits

CONVENTIONAL 03墻板各縫間的距離相等，即160 mm。縫間的壁柱寬為150 mm，高為1 200 mm，上、下端無縫區(qū)的高均為700 mm。TYPE A03最外部的開縫尺寸與CONVENTIONAL 03相同，縫隙高度由外向內(nèi)逐漸降低，最外側(cè)高度為1 200 mm，中間高度為最外側(cè)的1/3。TYPE B03與CONVENTIONAL 03相比開縫數(shù)相同，壁柱寬度由外向內(nèi)寬度逐級增大，最外側(cè)壁柱的寬度為112.5 mm，中間寬度為375 mm。

圖2 材料的本構(gòu)關(guān)系Fig.2 Constitutive relation of materials

模型選用SHELL四節(jié)點單元，映射網(wǎng)格劃分，屈服強度fy=235 MPa，彈性模量E=2.06×103MPa，泊松比為0.3，選擇雙線性隨動強化模型，強化模量取彈性模量的1/200（如圖2）。模型墻體底部全部固定，上端在受力方向可以水平滑動。在模型的頂端施加加載函數(shù)如圖3所示的水平周期往復(fù)荷載。

圖3 加載函數(shù)Fig.3 Loading function

1.2 滯回曲線對比分析

通過設(shè)置兩側(cè)加勁肋在帶縫鋼板剪力墻的兩側(cè)加以約束，以此提高墻體的初始剛度，更好地發(fā)揮墻體屈曲后的受力性能。主要研究加勁肋對三種不同開縫形式的帶縫鋼板剪力墻的受力性能的影響。

由圖4、圖5和圖6可以看出所有加勁肋的模型在加載后期滯回環(huán)均由梭形變成了Z形，耗能能力也出現(xiàn)了大幅度的下降，但要比無加勁肋的模型變化的更緩慢，說明加勁肋的模型在早期耗能能力要比無加勁肋的模型要稍好一些。

由表1可以看出，兩側(cè)加勁肋的模型的初始剛度與無加勁模型相比略有提高，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%。

圖4 CON滯回曲線對比Fig.4 Comparison on hysteresis curve of CON

圖5 TYPE A滯回曲線對比Fig.5 Comparison on hysteresis curve of TYPE A

圖6 TYPE B滯回曲線對比Fig.6 Comparison on hysteresis curve of TYPE B

1.3 耗能系數(shù)對比分析

云城乳業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展取得了成功，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)企業(yè)實現(xiàn)了華麗轉(zhuǎn)身。如今，云城乳業(yè)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)已被省市列為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)。

由表1可以看出，加勁肋帶縫鋼板剪力墻的耗能系數(shù)相較于無加勁肋帶縫鋼板剪力墻有所提高，其中CON03與CON02相比提高了16.7%，A03與A02相比提高了 10.8%，B03與 B02相比提高了15.7%。

1.4 骨架曲線對比分析

由圖7、圖8和圖9可以看出，兩側(cè)加勁肋模型在屈服之前力學(xué)性能和無加勁肋模型相比，并沒有明顯的變化，但是當(dāng)模型屈服后，各階段的承載力都相應(yīng)地提高了（見表1）。就極限承載力而言，CON03 比CON02提高了13.6%，A03比A02提高了8.4%，B03比B02提高了13.2%。

圖7 CON02與CON03骨架曲線對比Fig.7 Comparison on skeleton curve of C0N02 and C0N03

圖8 A02與A03骨架曲線對比Fig.8 Comparison on skeleton curve of A02 and A03

圖9 B02與B03骨架曲線對比Fig.9 Comparison of skeleton curve of B02 and B03

1.5 應(yīng)力云圖對比分析

圖10和圖11為位移加載為3%時的等效應(yīng)力云圖，對比圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn)，所有模型在兩側(cè)加勁肋后均發(fā)生了明顯變化：加勁肋附近的壁柱縫端應(yīng)變有所增加，中間部分的應(yīng)變區(qū)域減小，相應(yīng)的應(yīng)力集中現(xiàn)象也有減少。還可以看出CONVENTIONAL類型的模型應(yīng)變最大點主要發(fā)生在兩端，故撕裂破壞首先從兩端開始；而在TYPE A和TYPE B類型的模型中，應(yīng)變最大點主要發(fā)生在了兩端和中間區(qū)域，所以撕裂破壞最可能首先發(fā)生在兩端和中間區(qū)域。

圖10 12 mm無加勁變縫模型的應(yīng)力圖Fig.10 Plots on stress of unstiffened steel shear wall models with 12 mm thickness

圖11 12mm兩側(cè)加勁變縫模型的應(yīng)力圖Fig.11 Plots on stress of stiffened steel shear wall models with 12 mm thickness

表1 受力性能計算結(jié)果匯總Table 1 Summary of the calculation results of the stress performance

2 面外防屈曲對變縫鋼板剪力墻受力性能的影響

為了研究面外防屈曲措施對變縫鋼板剪力墻受力性能的影響，仍取用文獻(xiàn)[8]的12 mm厚的變縫無加勁模型，研究其受力性能在施加防屈曲措施后會發(fā)生什么變化。

2.1 建立模型

2.2 滯回曲線對比分析

由圖12、圖13和圖14可以看出，設(shè)置面外防屈曲措施后無加勁肋變縫鋼板剪力墻模型在加載全程滯回環(huán)均十分飽滿，呈現(xiàn)梭形，沒有發(fā)生捏攏現(xiàn)象，說明其耗能能力非常好。

圖12 CONVENTIONAL滯回曲線對比Fig.12 Comparison on hysteresis curve of CONVENTIONAL

圖13 TYPE A滯回曲線對比Fig.13 Comparison on hysteresis curve of TYPE A

圖14 TYPE B滯回曲線對比Fig.14 Comparison of hysteresis curve of TYPE B

由表1可以發(fā)現(xiàn)設(shè)置面外防屈曲的鋼板剪力墻模型的初始剛度和相應(yīng)不設(shè)置防屈曲的模型相比略有提高，其中CON04與CON02相比提高了2.8%，A04與A02相比提高了0.4%，B04與B02相比提高了2.8%。

2.3 耗能系數(shù)對比分析

由表1可見，在設(shè)置面外防屈曲措施后，帶縫鋼板剪力墻的耗能系數(shù)均有很大的提高。其中CON04 與CON02相比提高了171.6%，A04與A02相比提高了150.8%，B03與B02相比提高了176.5%。

2.4 骨架曲線對比分析

圖15 CONVENTIONAL骨架曲線對比Fig.15 Comparison on hysteresis curve of CONVENTIONAL

圖16 TYPE A骨架曲線對比Fig.16 Comparison on hysteresis curve of TYPE A

圖17 TYPE B骨架曲線對比Fig.17 Comparison on hysteresis curve of TYPE B

由圖15、圖16和圖17可以看出，設(shè)置面外防屈曲的帶縫鋼板剪力墻模型與不設(shè)防屈曲的模型相比，在屈服之前力學(xué)性能沒有明顯的變化，但當(dāng)模型屈服后，各階段的承載力都得到了相應(yīng)的提高（見表1）。就極限承載力而言，CONVENTIONAL04與CONVENTIONAL02相比提高了7.1%，TYPE A04與TYPE A02相比提高了7.4%，TYPE B04與TYPE B02相比提高了16.3%。

2.5 應(yīng)力云圖對比分析

圖18和圖19為位移加載為3%時的等效應(yīng)力云圖，由圖18和圖19對比可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)置面外防屈曲措施后，帶縫鋼板剪力墻模型在加載達(dá)到3%時，應(yīng)力和應(yīng)變的分布位置與不設(shè)防屈曲的模型大致相同，但分布面積均比相應(yīng)的不設(shè)防屈曲的模型的小。結(jié)果表明設(shè)置面外防屈曲的模型沒有完全發(fā)揮出受力性能，有更大的潛在的發(fā)揮空間，受力性能比較優(yōu)越。

圖18 12 mm無加勁變縫模型的應(yīng)力圖Fig.18 Plots on stress of 12 mm thickness of steel shear wall models without buckling-resisting

3 結(jié)論

在無加勁肋變縫鋼板剪力墻的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件ADINA對其分別進(jìn)行設(shè)置加勁肋和面外防屈曲措施的改進(jìn)，并進(jìn)行有限元分析。根據(jù)分析結(jié)果，得到以下幾點結(jié)論：

（1）兩側(cè)加勁肋可以提高變縫鋼板剪力墻的初始剛度、耗能系數(shù)以及承載能力，減小板中心的應(yīng)力集中現(xiàn)象，延遲模型發(fā)生過早的捏攏現(xiàn)象；

（2）面外防屈曲措施的施加，不僅可以改善模型的受力性能，同時使模型在加載全程都具有良好的耗能能力；

（3）通過應(yīng)力云圖的對比可以發(fā)現(xiàn)兩側(cè)加勁后，端部出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象。在面外設(shè)置防屈曲措施后，應(yīng)力、應(yīng)變區(qū)域發(fā)生了相應(yīng)的減小，受力性能得到了明顯的提高；

（4）通過滯回曲線、耗能系數(shù)和骨架曲線的綜合對比可以發(fā)現(xiàn)，TYPE A類型各方面的性能都十分優(yōu)越，而TYPE B的性能與CONVENTIONAL相比雖然初始剛度和破壞荷載稍高，但耗能能力遠(yuǎn)不如CONVENTIONAL，所以在開縫條數(shù)相同的情況下不建議采取TYPE B的開縫形式。

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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

馬良（1987-），男，助教，東北石油大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事主要教土木工程制圖方面的教學(xué)與研究工作。