钢框架蝴蝶形钢板墙的承载力和耗能研究

钢框架-蝴蝶形钢板墙的承载力和耗能研究卜阳袁喻苏婷袁丁志昌袁戴戌

渊苏州科技大学土木工程学院袁江苏苏州215011冤

[摘

要]

为研究新型钢框架-蝴蝶形钢板墙结构的层间抗震机理袁利用ABAQUS有限元软件建立了3层渊包含2个半层冤

不连续布置蝴蝶形钢板墙的钢框架模型遥应用上述模型袁分析了结构的承载力尧抗侧刚度尧滞回性能尧累积耗能等力学性能遥结果表明院蝴蝶形钢板墙能够较好与钢框架协同工作袁在为钢框架提供耗能的同时也提供一定的抗侧刚度曰随着钢板墙厚度的增加袁结构的承载能力和耗能能力都会有不同程度的增加曰当框架柱的轴压比增大时袁结构的极限承载力会下降遥

[关键词]蝴蝶形钢板墙曰钢框架曰承载力曰耗能曰有限元

[中图分类号]TU391.5[文献标识码]A[文章编号]1005-6270渊2019冤02-0032-03

ResearchonBearingCapacityandEnergy-DissipationofSteelFrame-Butterfly-shapedSteelPlateWall渊SuzhouUniversityofScienceandTechnology,SuzhouJiangsu215011China冤

BUYang,YUSu-ting

DINGZhi-changDAIXu

Abstract院Toinvestigatetheseismicmechanismofinnovativesteelframe-butterfly-shapedsteelplatewall,finiteelementmodelwasestablishedforframestructureofthreelayers.Basedonthemodel,themechanicalpropertyofbearingcapacity,elasticstiffness,hystereticloop,energydissipationwasanalyzed.Resultsshowenergydisipationeffectively;Boththeloadcarryingcapacityandenergydisipationincreaseindifferentextentaxialcompressionratio.

Keywords院butterfly-shapedsteelplatewall曰steelframe曰bearingcapacity曰energydisipation曰finiteelement

0引言

根据我国建筑抗震设计规范[1]提出的三水准抗震设防目标袁为确保主体结构不受严重损伤袁提高结构的抗震延性袁在框架结构中放置带竖缝钢板剪力墙可以有效的提高初始弹Hitaka等[2]提出的袁Hitaka给出了理论计算公式并对不同开孔性刚度尧变形能力和耗能性能遥带竖缝钢板剪力墙最早是由参数进行大量试验研究袁研究表明可通过改变开缝参数来达缝钢板墙进行了大量的试验研究袁结果表明带竖缝钢板墙可以使得结构的抗震延性和耗能性能得到较好的改善袁并将其定位为金属阻尼器类型构件遥2016年谭平等[5]提出了一种开菱形孔钢板剪力墙袁推导了蝶形带承载力和整体钢板墙的初始弹性刚度公式袁对开孔参数进行一系列研究遥大多数学者主要对钢板墙构件的承载力尧刚度尧滞回耗能和简化力学模型研究袁对框架和钢板墙协同作用的研究较少遥

为此袁本文在相关研究基础上对两边连接的钢框架蝴基金项目院国家自然科学基金渊11172193冤资助遥

蝶形钢板墙进行了一系列参数研究遥为更好反应梁柱连接的转角刚度和反弯点作用袁截取钢框架的3层渊包含2个半层冤遥采用ABAQUS进行数值模拟袁主要通过改变钢板的厚度对整个结构的刚度尧承载力尧滞回耗能等方面的影响袁为实际工程建设提供参考遥1有限元模型和参数

1.1钢框架-蝴蝶形钢板墙结构

that:steelframe-butterfly-shapedsteelplatewallsystemcouldbalancesimultaneouslythestiffnessandwithincreasioninthicknessofthesteelplatewall;theultimatebearingcapacitydecreaseswithincreasionin

到调节刚度和承载力的目的遥2009年蒋路和陈以一等[3耀4]对带

1(a)为蝴蝶形钢板墙袁L为蝴蝶杆高度袁a为蝴蝶杆中部截面宽度袁b为蝴蝶杆端部宽度袁c为钢板墙的长度袁h为钢板墙为框架的半高遥

钢框架-蝴蝶形钢板墙结构的几何尺寸如图1所示袁图

高度遥图1(b)为钢框架袁L爷为框架宽度袁H为框架的高度袁H爷1.2有限元模型的建立1.2.1单元的选取生袁主要从事钢结构抗震研究遥[收稿日期]圆园18鄄11鄄07[作者简介]卜阳袁男(1991-)袁苏州科技大学土木工程学院袁硕士研究江苏建筑圆园19年第2期渊总第196期冤

用Q345H型钢袁钢柱为H400mm伊400mm伊20mm伊26mm袁钢梁H360mm伊360mm伊16mm伊20mm袁蝴蝶板采用Q235袁c伊h为1508mm伊2640mm遥有限元模型的几何特征参数见表1遥板袁B12为内填12mm钢板遥

BK为空框架袁B8为内填8mm钢板袁B10为内填100mm钢

331.4设计理论

蝴蝶形钢板墙主要通过上下的多个蝴蝶杆和相应的矩

形板带组合而成袁矩形板带主要通过剪切变形提供承载能

图1几何模型

此次试验试件的钢框架柱和蝴蝶形钢板皆采用ABAQUS中的C3D8R三维实体单元来模拟遥其中C3D8R是一种可以限制沙漏模式扩展且不易发生剪切自锁尧可以得到较高求解精度的8节点线性减缩积分六面体单元遥1.2.2钢材的本构

由于双折线或三折线的本构关系在单调加载中能够得到

[6]力袁蝴蝶杆主要通过弯剪变形提供承载能力和耗能能力遥单个蝴蝶杆的简化力学模型如图3所示袁在图3所示的坐标系上建立弯矩尧截面抵抗矩和惯性矩的关系袁并以此获得最大应力出现位置Xm遥当蝴蝶杆受到外荷载作用袁由于板端的曲率突然发生变化引起的应力集中和变形集中产生的塑性铰会使得杆端截面易于被破坏袁而中间的截面所受应力较小袁为分离这两种作用和使得更多材料进入屈服耗能袁可以通过改变a/b的比值来实现塑性铰出现于蝴蝶杆中部和端部之间遥根据文献[4]对开孔参数的研究袁本文Xm取L/3袁Q345钢材袁蝴蝶形钢板墙采用低屈服点的Q235钢材先屈服耗能来保护主体框架遥

可以得到a/b为0.4袁对应于68/170遥同时袁钢框架采用

较为精确的结构分析解袁在往复加载时得到的解却相差很多遥本次有限元模型采用Chaboche的混合硬化模型袁这是一种考虑等向强化和通过非线性随动强化来考虑包辛格效应的本构模型袁具体值根据石永久等对钢材的加载试验得到的参数输入遥此外袁钢材的弹性模量为2.1伊10MPa袁泊松比为0.3遥1.2.3有限元模型的装配

5[7]梁柱之间通过野绑扎冶命令来模拟钢框架的焊接袁蝴蝶

板钢板墙与梁通过野绑扎冶命令模拟构件截面的固接遥本次试验的目的为不连续布置钢板墙的框架结构袁为真实地模拟试验的边界条件袁在层间上下层各伸出半层高来考虑反弯点作用和梁柱之间的转角刚度袁在框架柱的4个顶点创立4个参考点来耦合柱顶和柱底袁对耦合点的自由度进行约束袁释放柱顶和柱底的转动自由度袁在柱顶施加位移荷载遥装配后的模型见图2遥1.3参数的选择

为更充分反应钢框架和钢板墙的协同作用袁对该结构的

图3蝴蝶杆力学模型

2钢框架-蝴蝶形钢板墙结构数值模拟2.1单调加载曲线

为了研究结构体系在单向静力作用下的力学性能袁对

尺寸进行了足尺设计袁具体设计尺寸见图2遥钢框架梁柱均采钢框架和内填钢板墙钢框架进行了推覆分析袁图4给出了水平荷载和加载点的关系曲线遥

从图4可以看出袁空框架和内填钢板墙钢框架的初始抗侧刚度并不相同袁当内填钢板为8mm袁抗侧刚度较空框架有了较大增长袁当内填钢板厚度不断增加时袁初始抗侧刚度也有不同程度的增长曰从BK曲线可以看出袁空框架的屈服点在60mm左右袁而内填框架的屈服点都小于60mm袁表明钢板墙的加入使得整个框架结构屈服提前袁即屈服耗

表1

能提前曰随着位移加载的继续袁整个结构的承载能力不断增图2钢框架-蝴蝶形钢板墙有限元模型

钢框架-蝴蝶形钢板墙结构几何参数

编号BKB10B12B8

L'/mm5400540054005400H'/mm1350135013501350H/mm3000300030003000a/mm--686868b/mm170170170--b'/mm145145145--L/mm100010001000--t/mm--10128

注:L为柱距曰H为层高曰H忆为半层高曰a为蝴蝶杆中部截面宽度曰b为蝴蝶杆端部截面宽度曰b忆为两侧矩形板截面宽度曰L为开孔高度曰t为内填钢板厚度

34图4荷载位移曲线

加袁从后期的水平荷载和顶点侧移的曲线可以看出袁各结构曲线的斜率相差不大袁表明内填的钢板墙不断屈服直至完全进入塑性状态袁加载后期几乎不对钢框架提供抗侧刚度曰内填钢板墙与空框架相比袁在后期的承载能力差值几乎不变袁表明蝴蝶形钢板墙和框架的协同作用符合线性叠加袁即增加的荷载为钢板墙提供遥

2.2竖在向实荷际载工程中作用下钢的柱单会调加承担较载曲大线

的竖向荷载袁在结构中

考虑竖向轴力对结构性能的影响是必要的遥图5给出B12模型在不同轴力作用下的荷载-位移曲线袁通过对柱顶施加不同的竖向力袁改变钢柱的轴压比来实现袁对柱顶依次施加为钢柱

截0.10.3f面面积fyAc尧yAc尧0.5fyAc袁其中fy为屈服强度袁Ac遥

图5竖向荷载作用下的行为曲线

根据图5可以得到以下一些认识袁在不同竖向荷载作用下袁各结构的初始抗侧刚度相同袁说明结构的初始刚度与轴压比的设定值没有关系曰随着位移不断的加载袁B12的承载能力随着竖向荷载的增加不断的降低遥因此袁在对实际结构分析时袁考虑适当的轴压比对结构设计有着非常重要的作用遥

2.3图滞回6给性能

出了空框架和内填板钢框架在往复荷载作用下

的应力云图遥可以看出袁所有梁柱连接节点都出现应力集中现象袁在空框架柱的翼缘外侧也出现了明显的应力集中现象袁内填钢板的框架柱翼缘外侧的应力集中明显减小袁说明内填的钢板墙先屈服耗能保护了主体框架曰随着钢板墙厚度的不断增加袁框架柱翼缘外侧的应力集中现象不断增大袁

江苏建筑圆园19年第2期渊总第196期冤

这说明钢板墙对主体框架的作用也增大袁钢板墙所需提供的荷载在不断增加遥从各钢板墙的应力云图可以看出袁蝴蝶杆各部分都进入塑性耗能袁蝴蝶杆的弯扭变形出现在蝴蝶杆中部和端部之间袁这与理论分析的结果也是吻合的遥

图6各计算模型的应力云图

为了进一步揭示框架蝴蝶形钢板墙的抗震性能袁图7给出了各参数模型的滞回曲线遥本次试验主要通过改变钢板墙的厚度来分析其变化规律遥

渊d冤B12图7各计算模型的滞回曲线

从图7可以看出在加载位移较小时袁结构处于弹性状态几乎不耗能袁随着加载的位移不断增大滞回环也不断打开袁结构的耗能也不断增加曰在钢框架中加入钢板墙使得承载力有了较大的增长袁滞回曲线也变的更加饱满袁耗能能力更强曰钢板墙厚度的增加会增加整个结构的抗侧刚度袁也使得滞回曲线更为饱满袁耗能更充分袁尤其是B12呈现出了明显的梭形特征曰但钢板厚度增加过大也会对框架造成过大反作用袁且过厚的钢板也会造成经济的不节约袁因此袁这需要综合考虑承载力尧耗能能力尧经济等要素遥2.4结构耗能性能

耗能能力的评估是工程抗震的一个非常重要的指

渊下转第48页冤

48江苏建筑圆园19年第2期渊总第196期冤

越层柱袁其自由高度为13.25m袁计算时采用有夹层和无夹层2个模型分别进行计算袁按不利组合进行框架柱的中震弹性设计遥6结论

通过结构的整体分析渊包括静力和动力的弹性及弹塑性分析冤袁选用合理的结构体系袁该工程满足基于性能化的抗震设防目标遥同时对核心筒加强区及越层框架柱采取抗震加强措施袁使结构从整体设计到关键构件设计均满足规范的要求袁结构设计安全尧合理遥

参考文献

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图10大震下墙尧柱梁的损伤图

中国建筑工业出版社袁2006.

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[3]高层建筑混凝土结构技术规程院JGJ3-2002[S].北京院中国建筑工业出版社袁2002.

[4]混凝土结构设计规范院GB50010-2002[S].北京院中国建筑工业出版社袁2002.

[5]南京市河西中央商务区多功能发展项目超限高层抗震设计可行性报告[R].南京市建筑设计研究院有限责任公司袁2010.

5关键构件的设计

5.1核心筒底部加强区

主楼核心筒作为主要的抗侧力结构袁承担着第1道抗

震防线的作用袁应避免发生剪切等脆性破坏袁满足高延性的要求遥设计中通过加大核心筒墙体的截面尧在端部增设型钢暗柱尧提高墙体配筋率等措施满足中震抗剪弹性尧抗弯不屈服的性能目标遥5.2越层框架柱验算渊上接第34页冤

标袁主要通过滞回环围成的面积来评价遥图8给出了各计算模型的累计耗能关系曲线袁从图8可以清晰的看出结构在加载初期处于弹性状态几乎不耗能袁当位移加载到一定程度后结构的耗能速率不断增加袁表明结构中更多的材料进入塑性耗能遥空框架在位移加载到60mm以后开始耗能袁内填钢板墙在位移加载至35mm开始耗能袁表明钢板墙先进入屈服耗能从而保护了主体框架曰虽然B10在位移加载至110mm耗能与B8相差无几袁在110mm后耗能曲线的斜率已经明显高于B8袁所以袁从整体上看袁当钢板墙的厚度增加时袁结构的耗能是不断增加的遥

由于层2平面开大洞袁框架柱在结构底部2~3层形成

渊2冤填蝴蝶形钢板墙会增加结构的抗侧刚度袁并且随着钢板墙厚度的增加结构的极限承载能力也会随之增加遥渊3冤当结构竖向荷载的增加袁结构的极限承载能力会不断降低遥因此袁在结构设计时要充分考虑轴压比的影响遥渊4冤蝴蝶杆尺寸进行适当设计袁可以使得蝴蝶杆的更多材料进入塑性耗能遥同时袁低屈服点的蝴蝶形钢板墙可以先于主体框架屈服耗能袁从而保护了主体钢框架遥

参考文献

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接用于工程实际需求遥

图8累计滞回耗能曲线

3主要结论与建议

对钢框架-蝴蝶形钢板墙结构进行了数值模拟和分析袁得出以下结论和建议院

渊1冤蝴蝶形钢板墙作为耗能器辅助耗能的同时也为结

[5]谭平袁林裕辉袁周福霖援开菱形孔钢板剪力墙受力性能研究咱J暂援建筑结构学报袁2016袁37(9):117-125援

[6]ChabocheJL.Constitutiveequationsforcyclicplasticityandcyclicviscoplasticity[J].InternationalJournalofPlasticity,1989,5:247―302.

[7]石永久袁王萌袁王元清援循环荷载作用下结构钢材本构关系试验研究咱J暂援建筑材料学报袁2012袁15(3):293-300援

构提供一定的抗侧刚度遥由于本试验试件尺寸为足尺袁可直