第期 22 板填充墙钢框架受力性能的有限元研究响填充墙成为不参与地震剪力分配的非结构构件因此造成地震发生时框架短柱出现破坏墙体大量开裂甚至倒塌等灾害建筑抗震设计规范 :! 也指出应避免不合理的墙体设置所导致的结构主体发生破坏压蒸无石棉纤维素纤维水泥板 22 板填充墙是以冷

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盐叶
5 years ago
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1 第卷第期年月建筑钢结构进展!" # "$" % &' & " & 00 板填充墙钢框架受力性能的有限元研究郁有升谢阳果李建峰胡海涛 & 青岛理工大学土木工程学院山东青岛 & 青岛腾远设计事务所有限公司山东青岛摘要为了研究 22 板填充墙钢框架的受力性能和破坏机理利用有限元软件! C1 对 22 板填充墙钢框架试件设置两条中间竖缝的 22 板填充墙钢框架试件设置两条边缝的 > 形 22 板填充墙钢框架试件和纯钢框架试件进行了低周反复荷载作用下的模拟分析对这个试件的破坏特征滞回性能延性刚度和耗能等方面进行了研究有限元结果表明 22 板填充墙的不同构造措施会影响墙板裂缝的分布 22 板填充墙采用两条边缝的 > 形构造和两条中间竖缝的构造都能缓解墙板的应力集中减少墙板的开裂与常规构造相比结构滞回性能延性初始刚度和耗能系数受设置两条边缝的 > 形构造的影响较小受设置两条中间竖缝的构造影响较大研究成果可为带 22 板填充墙钢框架结构的应用提供理论依据关键词 22 板填充墙钢框架受力性能破坏机理有限元分析裂缝分布应力集中中图分类号 01&01& 文献标识码文章编号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填充墙是钢结构住宅的主要围护构件大量震害表明由于设计中未考虑填充墙对钢框架结构的影收稿日期收到修改稿日期作者简介郁有升男博士副教授主要从事钢结构设计理论与工程应用方面的研究 ( )* -"- ",&$ ) 谢阳果女硕士研究生主要从事钢结构设计理论与工程应用方面的研究

2 第期 22 板填充墙钢框架受力性能的有限元研究响填充墙成为不参与地震剪力分配的非结构构件因此造成地震发生时框架短柱出现破坏墙体大量开裂甚至倒塌等灾害建筑抗震设计规范 :! 也指出应避免不合理的墙体设置所导致的结构主体发生破坏压蒸无石棉纤维素纤维水泥板 22 板填充墙是以冷弯薄壁型钢为骨架内嵌 ( 轻质泡沫混凝土两侧分别外装 22 面板而构成的轻质复合墙板它以轻质高强保温隔热性好防腐防蚀耐久性好绿色环保等优点成为钢框架结构可选择的填充墙形式之一然而目前国内外学者对钢框架与 22 板填充墙的协同受力和构造措施等方面的研究工作开展得较少李国强等提出在水平荷载作用下两边连接的小高宽比钢板墙左右边缘区域会对中间区域形成约束使中间区域成剪切受力状态最终钢板墙的屈服区呈形形区外伸端部的高度与钢板墙的高宽比和厚度等参数无关约为钢板墙高度的其进一步研究将矩形钢板墙两边切割成弧形钢板墙整体呈 > 形指出钢板墙采用 > 形的构造能有效提高结构抗侧力和抗倒塌能力本文受以上启发在常规 22 板填充墙构造的基础上提出两种墙板的构造措施即带两条边缝的 > 形构造和设置两条中间竖缝的构造为了研究 22 板填充墙对钢框架结构受力性能的影响利用有限元软件! C1 对常规构造的 22 板填充墙钢框架试件设置两条中间竖缝的 22 板填充墙钢框架试件和设置两条边缝的 > 形构造 22 板填充墙钢框架试件及纯钢框架试件进行了低周反复荷载作用下的有限元模拟对这组试件的破坏变形滞回性能延性刚度退化及耗能等方面进行对比分析为 22 板填充墙在钢框架中的应用提供了理论依据同时为工程设计提供参考作用其刚度和强度较小对整体结构的受力性能影响不大为简化有限元模型没考虑内嵌 ( 轻质泡沫混凝土根据文献边缝长度取 )) 为墙板净高缝宽均为 )) 各试件构造如图所示表试件的参数 )#! $ 试件编号试件特征示意图纯框架图 * 带常规构造 22 板填充墙框架图 / 带两条中间竖缝的 22 板填充墙框架图 $ 带两条边缝的 > 形 22 板填充墙框架图 # & 有限元分析 &'& 试件设计本文共模拟个试件各试件参数如表所示第个试件为纯钢框架跨度为 )) 层高为 )) 梁柱截面分别为 5)) )) )) )) 5 )) )) )) )) 均采用 C! 钢其余个试件的钢框架材料和尺寸与第个相同墙体横龙骨为 C1 )) )) & )) 竖龙骨为 C2)))) )) & )) 竖龙骨的间距为 )) 龙骨间靠抽芯铆钉连接固定 22 板选用 )) 厚的中密度板通过射钉固定在龙骨上墙体与梁用 9 & 射钉连接射钉间距为 )) 第个第个试件的墙板分别为常规的矩形 22 板设置两条中间竖缝的 22 板设置两条边缝的 > 形 22 板 ( 轻质泡沫混凝土在 22 板填充墙中主要起隔音隔热的图各试件尺寸及构造示意图单位!"# 3! $! $$!%! $.$! &' 有限元模型的建立采用有限元软件! C1 中的 26 实体单元模拟钢框架的梁柱加劲肋以及 22 板用 6 壳单元模拟龙骨 26 单元属于细化网格的线性缩减积分单元在大变形弹塑性分析中不仅可以提高计算速度而且得到的位移结果较为精确 6 单元属于一般壳单元在大变形分析中单元局部材料可随着材料积分点上的平均运动而转动假设射钉有足够的刚度和强度能保证龙骨与框架共

+ 建筑钢结构进展第卷同工作同时考虑龙骨与 22 板的无相对滑移采用 0 模拟 22 板与龙骨龙骨与框架梁连接使各连接处平动耦合不限制转动耦合顶梁对应柱翼缘处所有节点沿方向的自由度并在耦合点施加低周循环位移荷载对柱底施加所有方向的自由度约束为防止墙体平面外侧向失稳约束顶梁向位移即 < 屈服前以屈服荷载的递增加载每级循环一次屈服后按屈服位移的递增加载

3 + 建筑钢结构进展第卷同工作同时考虑龙骨与 22 板的无相对滑移采用 0 模拟 22 板与龙骨龙骨与框架梁连接使各连接处平动耦合不限制转动耦合顶梁对应柱翼缘处所有节点沿方向的自由度并在耦合点施加低周循环位移荷载对柱底施加所有方向的自由度约束为防止墙体平面外侧向失稳约束顶梁向位移即 < 屈服前以屈服荷载的递增加载每级循环一次屈服后按屈服位移的递增加载每级循环两次以框架结构层间位移角所对应的位移为终止位移钢材的应力应变曲线采用考虑强化段和下降段的三折线模型图其中 - <& ' )) - < & 弹性模量 +<& ')) "<& ')) "<& 3< 泊松比 <& 分析中假定冷弯薄壁型钢龙骨和 22 板为理想弹性材料不考虑材料残余应力和初始几何缺陷的影响图中 - 和 - 分别为屈服强度和应变 " 和 " 分别为极限强度和应变和分别为破坏强度和应变表所示为浙江杭萧钢构股份有限公司所提供墙板的材料参数图各试件墙板的主要塑性应变!"#!$! % %!!$! $ 的裂缝主要分布在中间墙板四角处试件墙板与梁连接处产生的组合裂缝较多裂缝开裂的程度明显比试件的小与 22 板填充墙的常规构造相比设置两条中间竖缝和设置两条边缝的 > 形构造均能减少墙板开裂图 & 钢材本构关系!"#&0 $!(! %! $% 表 & 墙板的材料特性 )#&!%!00 $% 构件名称 +' )) - ' )) 龙骨 & 22 板 & 有限元结果和分析 '& 墙板裂缝裂缝是填充复合墙板普遍存在的问题填充墙的合理构造是减少墙体裂缝的有效措施之一荷载达到极值点后采用塑性应变图来表示墙板裂缝的分布及开裂程度图所示为试件试件墙板的主要塑性应变图中矢量箭头的长度表示裂缝的开裂程度主塑性应变垂直方向表示裂缝的走向由图可见 22 板填充墙的不同构造措施影响着墙板裂缝的分布规律和开裂程度试件墙板开裂程度最大交叉裂缝几乎布满整个墙板试件 ' 应力云图应力云图直观地反映了试件的应力状态在循环荷载加载到层间位移角时试件试件对应的 8 应力云图分别如图 * 所示纯钢框架中底梁连接处的柱翼缘严重外鼓屈曲上部节点域应力集中试件试件的钢框架变形基本相同底梁与柱焊缝连接处的屈曲现象得到明显的缓解表明 22 板填充墙参与了钢框架结构受力改变了结构的抗侧刚度不同构造措施下 22 板填充墙的破坏特征不同试件的墙板主应力主要分布在受力的对角线范围内呈 > 形分布这是由于墙板边缘区域对中间区域有一定的约束作用使中间区域主要受剪应力作用试件的中间墙板主应力呈四角分布而左右两侧墙板呈 > 形应力分布这是因为竖缝的隔离作用使剪力无法在墙板间传递试件墙板的应力集中没有试件墙板的严重主要因为边缝的存在释放了框架柱的刚度使边缘区域的约束作用明显减弱 ' 滞回曲线滞回曲线是在循环反复荷载作用下反映结构变形特征刚度退化和能量消耗的一种曲线各试件的滞回曲线如图所示由图可见试件处于弹性阶段时卸载后变形可恢

$ 复滞回曲线呈线性变化试件处于非弹性阶段时卸载时留有残余变形且残余变形随着荷载的增加不断变大在滞回曲线上表现出滞回环包络的面积不断增大总体上各试件的滞回曲线均呈饱满的梭形且无捏缩现象表现出良好的耗能能力试件滞回环面积最小达到峰值荷载后下降最为迅速试件和试件

4 第期 22 板填充墙钢框架受力性能的有限元研究 - 图 + 各试件应力云图单位 5 &!"#+! $ (! $.$!5 & 图 - 各试件的滞回曲线!"#-4!(! $ 复滞回曲线呈线性变化试件处于非弹性阶段时卸载时留有残余变形且残余变形随着荷载的增加不断变大在滞回曲线上表现出滞回环包络的面积不断增大总体上各试件的滞回曲线均呈饱满的梭形且无捏缩现象表现出良好的耗能能力试件滞回环面积最小达到峰值荷载后下降最为迅速试件和试件的滞回环面积基本相同均比试件的滞回环面积大与常规构造相比结构滞回性能受设置两条边缝的 > 形构造的影响较小受设置两条中间竖缝构造影响较大弹性变形的能力越强由于试件试件的骨架曲线都有较长的屈服平台因此取的层高为极限位移 " 屈服位移按图所示的骨架曲线计算得到延长过原点与点 & $ " 的直线与 $ " 对应的直线得到交点 22 点位移即试件试件的屈服位移 - 试件的极限位移取骨架曲线中极限承载力下降到 '( 延性系数延性是破坏前试件在承受无明显降低的荷载时所具备的变形能力延性的大小通过延性系数 < " - 来反映 " 和 - 分别为试件的极限位移和屈服位移延性系数越大结构的延性越好耗散的地震能量越多承受非图 1 骨架曲线的特征点!"#10'!!!$,% $(

5 1 建筑钢结构进展第卷时对应的位移各试件的延性系数如表所示从表可以看出试件试件的延性系数比的延性系数提高了约表明带 22 板填充墙的钢框架试件均明显提高了整体结构的延性表各试件的延性系数 )# 3(!%!!!$! $ 试件编号 - )) ")) & & & & & & & & & & & & ') 刚度退化采用滞回环峰值点的割线刚度反映循环荷载作用下试件的侧向刚度情况各试件的割线刚度退化曲线如图所示各阶段试件的割线刚度如表所示表中 * * - 和 * " 分别表示各试件的初始刚度屈服荷载对应的割线刚度和极限荷载对应的割线刚度刚度比系数表示不同构造的 22 板填充墙框架试件与纯框架试件在初始荷载时割线刚度的比值了结构的初始刚度后期填充墙从框架中逐渐脱离对结构的刚度贡献减小各试件侧向刚度退化的速率均随着位移荷载的增加而减小在同级位移循环中 22 板填充墙框架的刚度退化速率均比纯框架的大其中试件刚度下降的幅度最大试件的刚度退化比试件和试件的刚度退化缓慢得多 '* 耗能能力 /2 / 3 采用能量耗散系数 < 来反映结构的耗 / 2+ / 3 能性能其中 / 2 / 3 是滞回曲线上某循环的荷载位移所包围的面积 / 2+ / 3 是该滞回环卸载点与横坐标轴之间包络的三角形面积如图所示耗散系数越大说明结构地震时吸收的能量越多试件的耗能能力越强各级荷载第循环能量耗散系数如表所示各试件耗能系数对比如图所示表 + 各阶段试件的割线刚度 )#+$! $! $ * * - *" 试件编号 ' )) ' )) ' )) & & & & 图能量耗散计算图!"# 0%(%! $!" $"!!! $ 表 - 各级荷载第循环对应的能量耗散 )#- $"!!! $'! %%!$" & & & & & & & & 试件编号位移 )) & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & 图各试件的刚度退化曲线!"#!"!!"! $! $ 由图和表可见初始时所有试件的刚度曲线近似一条水平直线试件试件试件的初始侧向刚度分别是试件的 & 倍 & 倍 & 倍后期各试件刚度退化的趋势基本一致表明填充墙在前期显著提高图各试件能量耗散系数对比!"#$"!!! $!!$! $! $

6 第期 22 板填充墙钢框架受力性能的有限元研究从表和图可以看出所有试件的能量耗散系数均随着位移的增加而变大但增大的幅度逐渐减小表明在循环荷载作用下钢框架构件屈服后墙体逐渐破坏使试件的耗能能力下降位移达到 )) 前试件和的耗能系数比试件提高约倍试件的耗能系数仅比试件提高左右位移达到 )) 后各试件的耗能系数越来越接近表明在侧向位移较小时 22 板的常规构造和设置两条边缝的 > 形构造能为结构分担更多的地震能量随着侧向位移的增大钢框架屈服后填充墙逐步退出工作不再耗散能量有限元结果的验证为验证有限元建模的正确性利用! C1 对文献已有的试验进行有限元模拟并将得到的骨架曲线与试验的骨架曲线进行对比分析试验骨架曲线和有限元模拟骨架曲线如图所示是中间墙板角部出现斜裂缝带 22 板填充墙的钢框架的滞回性能延性初始刚度和耗能系数优于纯框架结构的性能与常规构造相比滞回性能延性初始刚度和耗能系数受两条边缝的 > 形构造的影响较小受两条中间竖缝的构造影响较大参考文献王静峰叶慧君李金超等 & 填充节能复合墙板钢框架结构的抗震性能 & 建筑钢结构进展 & & &$ &$& & & &? ': ;( 5"" = $,* *& ) $ /,*3 *) "$" # 7, * #7 $, $ )44*&!" # "$" && &$ &$& & & &2, 清华大学西南交通大学北京交通大学土木工程结构专家组 & 汶川地震建筑震害分析 & 建筑结构学报 &&& +./&&&& 2 3 * # "$"* : "4 0,"* 13 ->* * 13 -!* 13 -&*- ) $#*)*/" #,?$,"**, "* & " *!" # "$"&& & +./&&&&2, 6 % 25 ' 6 ' = ':'(6 6 (& ) $# *$ ) ) *)7, )* -4* &(*, "*4 $* & 杨伟候爽欧进萍 & 从汶川地震分析填充墙对结构整体抗震能力影响 & 大连理工大学学报 & 图试验与有限元模拟骨架曲线!"#,% $( $!$!% $ %!$" 图显示屈服前试件的承载力有限元结果与试验数据基本吻合屈服后随着框架侧移量的增大有限元模拟的数值偏高这是由于有限元模拟未考虑试件屈服后梁柱连接节点的螺栓滑移龙骨与复合板的相对滑移等因素影响这验证了本文有限元数值模拟的有效性 ( 结论在循环荷载作用下 22 板填充墙的常规构造使墙板容易出现应力集中而导致墙体开裂设置两条边缝的 > 形墙板构造减弱了墙板边缘区域对中间区域的约束设置两条中间竖缝的墙板构造隔离了墙板边缘区域对中间区域传递的剪力这两种构造措施都能缓解墙板的应力集中减少墙板的开裂常规构造的 22 板填充墙的破坏形式主要是在墙板中间区域产生交叉裂缝设置两条边缝的 > 形 22 板填充墙的破坏形式主要是墙板与梁连接处产生组合裂缝设置两条中间竖缝的 22 板填充墙的破坏形式主要 ; ':?5 1,"* 1 4 &*-"$ "$"* /* ) $ $*4*$ - #"$ # /- "/$ #?$,"* *, "* &" * * * 13-0 $,-&2, 郭子雄黄群贤魏荣丰等 & 填充墙不规则布置对 62 框架抗震性能影响试验研究 & 土木工程学报 && &) $./&&&& : ': C". *?( 6 *& (.4)* "#-, ) $ /,*3 "*- / $#62 *) &2,*2 3 ( " * && &) $./&&&& 2, 5 5(88= 8 8&,* */.4) $ #$$ "$" $* )* - 7* &(*, "*( * #"$"* - *) $ && & & 15 5!6 2 ' &2 # *44 *$, ) $# )* -# $ #$$ *) * *,* 37 &(*, "*4 $* && && 中华人民共和国住房和城乡建设部 & 建筑抗震设计规范 :! & 北京中国建筑工业出版社 & 下转第 & 页

7 上接第页 8-5 "* # 1/*6"* 34), 4 6 4"/ $ 2,*&2 # ) $!" # :!&! 2,* #&2, 李元齐洪驰秦雅菲 & 蒸压纤维水泥板覆面轻钢龙骨式复合墙体抗剪性能试验研究 & 建筑结构学报 &&& +./& &&& = ;"* 5 ': 2, C ' ;* &(.4)* "#-, *4 )* $ 22, *, #,*"*) 7*&" *!" # "$" &&& +./& &&&2, 李国强刘文洋陆烨等 & 两边连接屈曲约束钢板剪力墙受力机理与等效支撑模型 & 建筑结构学报 &&& +./& && & = :" *= 1?-*=1 ; *& ) $,* )* #" 3*/*$ ) # /"$* # 4*, *7* 7,7# #$$ &" *!" # "$" &&& +./& && &2, 孙飞飞戴成华李国强 & 大高宽比开缝组合钢板墙低周反复荷载实验研究 & 建筑结构学报 & && +./&& && 1' 2,,"*= :" *&2-$ $ * ** $ )4 4* 7* 7, & " *!" # "$"&& & +./&& &&2, 陆烨李国强孙飞飞 & 形大高宽比屈曲约束钢板剪力墙的试验和理论研究 & 土木工程学报 & & &) $./&&& & =1 ; = :" 1'&(.4)* * #,$* "#-,*4 /"$ * # 4*, *7* &2,*2 3 ( " *& & &) $./&&& &2, = 1 C = :" *=1 ; &(.4)* * #,$* "#-, / " # $ ") 7, /"$* # 4*, *7* 2 0,,(" 4 * 2$ * # 2 )4 "$"&'*4 (" & 杨培东 & =2 墙板填充墙裂缝成因及防裂关键技术研究 & 青岛青岛理工大学 & ; ':# &0,"#-, $*"=2 7* / *# # 7* $*$* #, - * $*$$,- & C #*C #* 0 $, $* 2, 13 -& 王明贵储德文 & 轻型钢结构住宅 8 & 北京中国建筑工业出版社 &? ': 8" 251 7&0,, 7, #$8 &! 2,* # &2,

第期刘文洋等两边连接屈曲约束钢板墙边缘构件的受力规律 +,444'+# ' 引言屈曲约束钢板剪力墙简称屈曲约束钢板墙 82=27 是在普通钢板墙两侧设置盖板盖板的作用仅是抑

第期刘文洋等两边连接屈曲约束钢板墙边缘构件的受力规律 +,444'+# ' 引言屈曲约束钢板剪力墙简称屈曲约束钢板墙 82=27 是在普通钢板墙两侧设置盖板盖板的作用仅是抑第卷第期年月建筑科学与工程学报 '' 文章编号 () 两边连接屈曲约束钢板墙边缘构件的受力规律刘文洋李国强同济大学土木工程学院上海 ( 黑龙江八一农垦大学工程学院黑龙江大庆 ( 同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海 ( 摘