钢板剪力墙是在20世纪70年代由美国、日本率先引入工程应用的抗侧力结构体系, 40多年的试验研究和应用表明, 钢板剪力墙不仅有较高的抗侧承载力和初始刚度, 而且有良好的延性和抗震性能。钢板剪力墙一般由内嵌钢板墙、边缘框架柱和框架梁组成。虽然平钢板结构体系已经在国内外得到应用, 并在工程实践中表现良好, 但是平钢板剪力墙体系仍不完美, 因为薄钢板面外稳定性差, 滞回曲线捏拢明显, 正常使用情况下还会发生巨大的鼓曲变形声响。加劲的内嵌钢板能有效提高其面外稳定性, 但是加劲肋焊接施工繁琐且焊接后残余应力影响较大。

自2005年起, 国内关于波形钢板剪力墙, 包括梯形波形钢板、正弦波波形钢板、折板波形钢板的研究逐渐增多。兰银娟^[1]对折板剪力墙的滞回曲线、骨架曲线、耗能系数、承载力退化系数等滞回性能指标均做了研究。赵秋红等^[2]用有限元分析的方法对正弦波纹钢板剪力墙进行参数化分析, 研究了波纹钢板波长、波幅、宽厚比等因素对波纹钢板剪力墙的力学性能影响, 给出波纹钢板合理的参数范围。李雅楠^[3]通过相关屈曲理论, 给出合理的梯形波形钢板剪力墙板型的验证方法。

本文从梯形波形钢板剪力墙体系的钢板材料、加劲方式变化等出发, 研究这些参数对剪力墙力学性能的影响机理, 并根据研究成果, 给出合理适用的钢板和加劲方式。

考虑波形板的轧制可能、面外稳定性和抗剪强度, 本文给出1种梯形波形板形式, 波形板宽1 250mm, 板高b为2 700mm, 波高d为50mm, 波距为200mm, 板厚t为6mm。通过文献[3-4]相应屈曲公式计算显示, 这种板型在力学上表现为刚性板, 即波形板剪切破坏时整体屈曲先于局部屈曲发生, 满足构造限值要求。在此基础上本文共设计7个钢板剪力墙模型进行不同参数的影响规律分析, 如表1所示。

采用大型有限元分析软件ABAQUS, 建立梯形波形钢板剪力墙模型, 如图1所示。

波形板、钢管柱、上下横梁以及横向加劲肋都采用S4R壳单元^[5]建模。在水平荷载作用下, 为保证钢管柱能晚于波形板进入屈服, 同时横向加劲肋可以提供足够的面外支撑, 波形钢板的材料屈服强度选为235MPa, 钢管柱、横向加劲肋的屈服强度选为345MPa。钢材本构采用理想弹塑性双线性模型, 表达式如下:

式中:ε_y和ε_u分别为钢材的屈服应变和极限应变;f_y为钢材的屈服强度。

钢管柱内填C60混凝土, 混凝土采用塑性损伤模型, 主要参数如表2所示。

剪力墙模型中, 上下横梁为刚性 (不发生变形) 。下横梁为固接, 上横梁约束面外自由度, 以考虑实际工程应用中楼板对上下横梁的约束作用。由于结构安装焊接误差和结构运输的影响, 波形钢板剪力墙会产生几何初始缺陷。为了研究结果的可靠性, 对所有模型均施加1/500倍的整体屈曲模态作为初始缺陷, 然后对波形钢板剪力墙进行滞回性能分析。滞回性能分析时先在上横梁施加均布压强来实现竖向加载, 水平加载全程采用位移控制, 侧移通过刚性梁的参考点施加位移荷载, 除第1级荷载保证构件各部分接触良好外, 每级荷载加3个循环, 位移加载历程如图2所示。

对有限元分析模型B-1, P-1进行滞回性能分析, 计算得到相同厚度波形钢板和平钢板剪力墙 (即B-1与P-1) 滞回曲线比较, 如图3所示。

从波形板和平钢板剪力墙的滞回曲线可以看出, 在往复荷载作用下, 波形板剪力墙的抗侧性能会有所下降。原因在于非加劲波形板发生了局部屈曲。平钢板剪力墙的滞回曲线会发生明显的捏拢现象和抗侧承载力突变。波形板剪力墙虽然会发生承载力下降, 但是滞回曲线比较饱满和稳定。相较于波形板较为稳定的滞回曲线, 平钢板剪力墙体系的滞回曲线会在正向荷载卸载、反向位移发展过程中发生抗侧承载力的突变。原因为在相反方向的位移荷载作用下, 平钢板面外鼓曲变形的位置会发生变化, 这就意味着有些原来凹下去或者没有变形的部位会凸出来, 而原来凸出来的位置也会进一步变形。这样的面外变形反复发生, 就会造成平钢板的几何形状突变, 进而影响剪力墙体系抗侧承载力的稳定。鼓曲变形的出现, 也印证了钢板剪力墙在工程实践中会发生“嘭嘭异响”的现象, 即平钢板承受方向变化的水平荷载时, 会因突然变形而引起振动声响。这种声响和变形不仅会影响建筑的舒适性, 也会对钢板的防火、防锈涂层或镀层产生不利影响。波形板因其特殊的几何构造, 在弹性阶段不会发生明显的面外变形反向, 所以不存在正常使用时发生突然变形、产生响声的情况。

以模型B-2为基础, 在波形板三分点的位置加上2道加劲肋, 正反两面共4根。其中, 模型B-2采用角钢加劲肋, 加劲肋规格为└50×4, 模型B-3采用方钢管加劲肋, 加劲肋规格为□50×50×4。2个模型都在上横梁施加轴压比为0.4的竖向荷载, 滞回性能分析对比如图4所示。

从不同加劲形式的剪力墙滞回曲线可知, 相对于不加劲的波形钢板剪力墙体系, 有横向加劲肋的剪力墙不仅极限抗侧承载力得到提升, 而且剪力墙体系的屈曲后强度下降更小, 延性有明显改善。方钢管加劲肋剪力墙的滞回曲线饱满, 滞回性能更为稳定, 不会发生明显的侧向承载力下降的情况。可见, 横向加劲肋能有效提高波形钢板剪力墙的抗侧力性能、延性和滞回性能;而方钢管加劲肋有较高的弯扭刚度, 相较于角钢加劲肋的形式效果更好。

设置横向加劲肋能有效提高波形板剪力墙的力学性能。以模型B-1为基础, 在无加劲肋的波形板上不同位置焊接横向加劲肋, 通过研究不同加劲肋数量的波形板剪力墙体系的力学性能, 观察不同模型的变形云图, 了解横向加劲肋数量对波形板力学性能的影响机理。

表3为不同加劲肋数量的波形板剪力墙推覆分析结果。相比于不加劲的波形板B-1, 加横向加劲肋的波形板极限抗侧承载力提升, 延性性能改善, 力学性能都有明显提升。从双面单道到双面2道, 再到双面3道, 波形板剪力墙体系的极限抗侧承载力相继提高, 即波形板面外支撑越强, 波形板的抗侧性能越好。比较波形板剪力墙侧移达到150mm (1/20的层间位移) 时的抗侧承载力, 加劲肋道数越多, 极限抗侧承载力下降得越少。双面2道和双面3道加劲肋, 承载力下降只有7.5%和6.2%, 表现出优异的延性。从表3可知, 双面2道的加劲肋已经能保证波形板的抗侧力和延性, 加3道横向加劲肋虽然力学性能有所提升, 但是并不明显。

不同加劲肋数量波形钢板剪力墙的面外变形如图5所示。当侧向位移达到一定程度时, 波形钢板剪力墙也会出现类似于平钢板剪力墙的对角拉力带。这样的拉力带逐渐扩展, 直到横贯几乎所有的波形板板条。在拉力带逐渐扩展过程中, 波形板板条之间的褶皱逐渐被“拉平”, 这样的局部变形在抗侧性能上表现为抗侧力形式的改变和抗侧刚度的下降。在相应的位置加上横向加劲肋之后, 波形板的对角拉力带被加劲肋打断, 形成影响区域更小的拉力带。随着加劲肋数量的增多, 整体或者局部的拉力带面外变形减小, 从不加劲波形板的最大面外变形达110mm, 到1道加劲肋波形板的100mm, 2道加劲肋波形板的41mm, 再到3道加劲肋波形板的27mm, 面外变形逐渐减小, “拉力带”效应带来的抗侧刚度损失也相应降低。从上面的分析可知, 横向加劲肋有效地提高了波形板的面外刚度, 减小了波形板的面外变形, 进而打断了整体拉力带的形成, 避免因局部变形造成剪力墙抗侧刚度的降低, 这就是横向加劲肋提高波形板剪力墙抗侧和滞回性能的原因。

对波形板屈服强度不同的剪力墙进行滞回分析, 模型编号为B-3 (Q235) , B-4 (Q345) 。2种剪力墙的滞回曲线如图6所示。

从图6可知, 相比波形板材料为Q235钢的剪力墙, 材料为Q345钢的剪力墙滞回性能显著降低, 当水平位移达到40mm以后, 剪力墙的抗侧承载性能迅速下降, 原因在于剪力墙的边框柱发生明显破坏, 边框柱整体失稳破坏, 整个剪力墙在竖向荷载作用下被压塌失效。为了避免这种情况, 保证钢管柱能晚于波形板进入屈服, 钢板材料为Q345钢的剪力墙需要选用截面尺寸更大的边框柱, 或者选用材料为Q235钢的波形钢板剪力墙。

为研究波形板厚度不同对剪力墙滞回性能的影响, 选择有限元模型编号为B-3 (板厚6mm) , B-5 (板厚8mm) , B-6 (板厚10mm) 。3个模型的滞回曲线如图7所示。

边柱尺寸相同, 波形板厚度不同的剪力墙的滞回性能存在很大差异。波形板厚度为6mm的剪力墙体系滞回曲线饱满, 没有发生曲线捏缩和抗侧承载力的下降, 整体滞回性能稳定。但随着波形板厚度增加, 波形板剪力墙体系的滞回性能出现明显下降, 尤其当滞回分析进入后段, 即水平侧推位移值较大时, 模型B-5, B-6的滞回曲线下降明显。边柱刚度相同时, 随着波形板刚度的提升, 波形钢板剪力墙体系的滞回性能下降。

本文研究了波形钢板剪力墙模型的力学性能, 分析横向加劲方式、波形板厚度等不同参数对波形板剪力墙力学性能影响的机理, 得出结论如下。

1) 加劲波形钢板剪力墙抗侧弹性刚度较大, 延性性能优良, 有良好的抗侧性能和滞回性能。

2) 相对于同厚度的非加劲平钢板剪力墙体系, 波形钢板剪力墙抗侧性能优良, 滞回性能稳定, 在舒适性和力学性能方面有比较大的优势。

3) 设置横向加劲肋能有效提高波形钢板剪力墙体系的力学性能, 其中双面双道的加劲方式经济合理, 能满足波形板面外稳定要求。

4) 波形板的屈服强度和厚度对剪力墙的滞回性能影响较大, 随着钢板的屈服强度和厚度增大, 剪力墙体系滞回性能变差。