防屈曲钢板剪力墙滞回性能理论与试验研究
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首先通过 数值 分析, 考 察不 同高 厚 比的 防屈 曲 钢板墙 ( Ò型 )与普通钢板墙 滞回性能的 差异。试验 研究主要针对 四种 钢板 墙 ( 防屈 曲钢板 墙 Ñ型 和 Ò 型、组合钢板 墙以 及普 通钢 板墙 ), 重点 研究 它 们在 水平低周往 复荷 载作 用下 的 滞回 特性、延性 以 及破 坏特征等。通 过 对比 分析, 揭 示不 同类 型钢 板 墙的 直观表现与 受力 特点, 最后 给 出对 四种 类型 钢 板墙 的总体性能评价。
升段、下降段的参 数值; f c 为 混凝 土峰 值压 应力; Ec
为混凝土峰 值压应 力 对应 的应 变; 混凝 土盖 板强 度
等级 C30, 相 应的 单轴 峰值 压应 力 fc = 30M Pa, 峰 值 压 应变 Ec = 01002。混凝土采用 von M ises屈服准则、 多线性随动强化; 破坏准则采用 W illiam W arnke五参
11 2 普通钢板墙 把图 1中混凝土盖板 卸去后即 为普通 钢板 墙分
析模型, 图 4 为普通钢板墙 ( 高厚比 K = 300 ) 面外变 形随荷载的变 化发 展情况。其 中, Dx 为 图 1 中 A 点 的水平侧移, 由图可见, 正向加载至 1 /50层间位移角 时, 对角线方向产生明显拉力带; 卸载后 ( Dx = 0), 由 于不可逆塑性变形, 正 向拉力 带并不完 全消失, 在反 向荷载作用 下, 钢 板上 呈现 两个 方 向残 余变 形同 时 存在的情形, 直 至 反方 向位 移不 断 增加 并达 到 - 1 / 50层间位移角 时, 才出 现以 单向 拉力 带为 主的 变形 模式。内嵌钢 板的 高 厚比 越大, 这 种残 余变 形越 明 显, 滞回环的捏拢现象也越显著。
T ests and analysis on hysteretic behav ior of buck ling-restrained steel plate shear w all
GU O Y an lin, DONG Q uanl,i ZHOU M ing ( C ivilE ngineering Departm en ,t T singhua U n ivers ity, Beijing 100084, Ch ina)
对钢材的计算模型, 以 von M ises为屈服准则, 采 用随动强化理 论, 以考 虑包 辛格 ( Bausch inger) 效应。 混凝土本 构关 系 则采 用 单轴 受 压 的应 力-应 变曲 线
32
图 3 单轴受压混凝土的应力-应变曲线 F ig. 3 Constitutiue m ode l o f conctre te in BR-SPW
2 防屈曲钢板墙试验研究
21 1 试件设计与安装 试验共 7 个试 件, 如 表 1, 根据 内嵌钢 板高 厚比
(或厚度 )的不 同分为 两组, 对应的 高厚比 K分 别约 为 500 和 400。同一组高厚比 K的墙 板, 又分别设计 了不同形式 的钢 板墙: 普通 钢板 墙 ( SPSW )、防屈 曲 钢板墙 Ñ型 与 Ò 型 ( BR-SPWwenku.baidu.com) 以及 组 合 钢板 墙 ( CSPW )。
31
钢板和盖板 之间 最大 的相 对 滑移 量确 定, 在 大 震下 允许混凝土 盖板 与钢 板之 间 发生 相对 滑动, 以 释放 盖板参与抗侧, 减小后者的破坏。
普通 钢 板 墙 指 不 设 加 劲 肋 的 钢 板 剪 力 墙 ( SPSW )。组合钢板墙 ( C-SPW ) 则由 内嵌钢 板、抗剪 栓钉和混凝 土板 组成, 其混 凝 土与 内嵌 钢板 整 体浇 筑在一起, 混凝土板与边框架间留有缝隙 [ 3-4] 。
建筑结构学报 Jou rn al of Bu ild ing S tructures 文章编号: 1000-6869 ( 2009) 01-0031-09
第 30卷 V o l130
第 1期 N o11
2009年 2月 F eb12009
005
防屈曲钢板剪力墙滞回性能理论与试验研究
郭彦林, 董全利, 周 明 (清华大学 土木工程系, 北京 100084)
延缓了内嵌 钢板极 限 承载 力的 降 低, 因 而延 性有 进 一步的改善。
对于 K = 300的 薄钢 板, 水 平荷 载作 用过 程中, 由于混凝土 盖板与 内 嵌钢 板之 间 存在 间隙, 且薄 板 有强烈的屈 曲趋势, 在 墙板 的局 部 区域 仍将 产生 细 密拉力带作 用, 因 而滞 回环 也表 现 出一 定程 度的 捏 拢, 但与相同 高厚 比的 普通 钢板 墙 相比 已经 大为 改 善, 表现出更强的承载性能和稳定的耗能能力。
与普通钢 板墙 相比, 当 内嵌 钢板 属 于厚 钢板 时 ( K = 100) , 防屈曲钢板墙 ( Ò型 )对刚度和承载力的 提高并不明显, 因为 二者的受 力机理 非拉力带 机制, 主要为 墙 板 的面 内 受 剪。但 由 于 混 凝 土 盖板 的 作 用, 阻止了钢板面外 单波变形 的发展, 防屈曲钢 板墙
摘要: 提出了一种新型的防屈曲钢板墙用作高层建筑的 抗侧力构件。从 理论与试 验两个方面 对防屈曲 钢板墙的滞 回性能 进行研究。其中理论分析主要考察两个不同高厚比的防屈曲 钢板墙 ( Ò 型 )与普通钢 板墙滞回性 能的差异; 试验研 究则主 要针对两种高厚比共计 7个不同的试件, 考察防屈曲钢板墙 ( Ñ型和 Ò型 )、组合钢板墙以及普通钢板墙在往复 荷载作用下 的极限承载力性能、滞回特性、延性以及破坏特征等。通过对比分析, 揭示不同 类型钢板墙的受力 机理与特点, 对四种不同 类型钢板墙的直观表现与受力性能进行总结与评价。 关键词: 抗侧力构件; 防屈曲钢板剪力墙; 滞回性能 中图分类号: TU 973116 TU 31711 文献标识码: A
Abstract: A n ew type o f lateral force res isting system, th e buck ling-restra ined steel p late sh ear w all ( BR-SPW ), proposed by the au th ors w as tested and analyzed in d etai.l Cyclic tests of seven sing le story steel shear w alls of d ifferen t con figurations, nam ely th e SPSW, compos ite steel p late shear wall ( C-SPW ) , BR-SPW both type Ñ and type Ò were carried out to determ in e th eir sh ear capacity, ductility, and hysteretic behav iors. Test resu lts demon strated that th e BR-SPW can not on ly elmi inate th e bu ck ling sound and large ou t-o-f p lane d isp lacem ent of SPSW, bu t also protect th e RC cover p lates from b eing dam aged under the cyclic load ing. Comp arison and evaluation w ere mad e am ong the four d ifferen t steel sh ear w alls, and some usefu l conclus ion s w ere presen ted. K eywo rds: lateral force resisting system; bu ck ling-restrain ed steel p late sh ear w all ( BR-SPW ); hysteretic b eh avior
图 2 内嵌钢板三线型弹塑性本构关系 曲线 F ig. 2 Constitutiue model o f infill pane l
图 1 防屈曲钢 板墙模型 F ig. 1 Ana ly sis m ode l of BR-SPW
本文的研究涉及 钢材、钢筋 和混 凝土 3种 材料。 其中钢材材质选 用 Q235; 内 嵌钢板 为带 强化段 的三 折线本构模型 ( 图 2) , 弹性模量 E = 2106 @ 105M Pa, 屈服应力 fy = 235M Pa, 屈服应变 Ey = 0100114, 强化 初始 应 变 Est = 0102, 强 化段 切 线模 量 Et = 61 18 @ 103M Pa。混凝土内配筋的本 构关系采 用理想 弹塑性 模型, 弹性 模 量 E = 21 06 @ 105M Pa, 屈 服应 力 f y = 235M Pa。
数模型。初始弹模 Ec = 310 @ 104M Pa, 泊松比 012。
1 防屈曲钢板墙滞回性能理论研究
111 有限元模型 防屈曲钢板墙分 析模型 如图 1所 示。为考 察内
嵌钢板本身的受力 特性, 剔除 框架的 影响, 梁柱 节点 采用铰接; 同时, 为给 内嵌钢板 的拉力 场提供足 够的 锚固, 以充分 发 挥拉 力带 的效 率, 设定 梁、柱 刚 度为 无限大; 内嵌钢板为 3m @ 3m 的方形板。
(过镇海曲线 ) , [5] 如图 3 所示, 描述曲线的方程为
y = aax + ( 3 - 2a a )x2 + (a a - 2) x3 (x [ 1 )
(1)
y=
x ad (x - 1) 2 + x
(x > 1)
(2)
其中, x = E/Ec, y = R /f c, aa、ad 为应 力-应变曲 线上
组别 第 1组
第 2组
表 1 试件规格表
T able 1 Spec ifica tion o f test spec im en
图 4 普通钢板剪力墙往 复荷载下平面外变形发展过程 ( K = 300) F ig. 4 D eform ation process of SPSW under cyc lic loading
113 防屈曲钢板墙 ( Ò型 ) 图 5为 K = 100、300时, 防屈曲钢板墙 ( Ò型 )与
普通钢板墙滞回曲 线的比 较。考虑到 在工程中 混凝 土盖板与内 嵌钢 板之 间不 可 能完 全贴 合, 数 值 分析 时二者间预设一 定间隙 ( 5mm ) , 并 采用 AN SY S 中的 面接触单元模拟两者的相互作用。
作者简介: 郭彦林 ( 1958) ), 男, 陕西富平人, 工学博士, 教授。 收稿日期: 2007 年 5月
根 据 混凝 土 盖 板 上预 留 孔 洞的 大 小 及受 力 机 理, 防屈曲钢板墙 又分 为 Ñ 型 ( BR-SPW ( I) ) 与 Ò 型 ( BR-SPW ( Ò ) ) 两种: 其中 Ñ型防屈曲钢板墙盖板上 预留的连接 螺栓孔 与 螺栓 的直 径 相当, 在布 置有 连 接螺栓的 位置, 三块 板 始终 共同 变形。 但在 连接 螺 栓之间的区 域, 内 嵌钢 板与 混凝 土 盖板 可以 发生 相 对滑移; Ò型防 屈曲 钢板 墙 与 Ñ 型 的主 要区 别在 于 盖板上的预 留孔径 大 于螺 栓直 径, 并由 大震 下内 嵌
0 引言
防 屈曲 钢 板 墙 是一 种 新 型高 层 建 筑 抗侧 力 构 件 [ 1-2] 。它由内嵌 钢板 及 两侧 的预 制 混凝 土 盖板 构 成; 内嵌钢板与两侧 盖板通过 高强螺 栓连接, 边 框架 内侧周边设置鱼尾板 来实现 内嵌钢板 与框架 的方便 连接, 连接 方式 可 为栓 接或 焊接。 混凝 土盖 板 与周 边框架之间根据大震 下结构 的弹塑性 层间位 移角限 值, 预留一定宽度的 缝隙, 防止 盖板因 与周边框 架接 触、挤压而破坏。
升段、下降段的参 数值; f c 为 混凝 土峰 值压 应力; Ec
为混凝土峰 值压应 力 对应 的应 变; 混凝 土盖 板强 度
等级 C30, 相 应的 单轴 峰值 压应 力 fc = 30M Pa, 峰 值 压 应变 Ec = 01002。混凝土采用 von M ises屈服准则、 多线性随动强化; 破坏准则采用 W illiam W arnke五参
11 2 普通钢板墙 把图 1中混凝土盖板 卸去后即 为普通 钢板 墙分
析模型, 图 4 为普通钢板墙 ( 高厚比 K = 300 ) 面外变 形随荷载的变 化发 展情况。其 中, Dx 为 图 1 中 A 点 的水平侧移, 由图可见, 正向加载至 1 /50层间位移角 时, 对角线方向产生明显拉力带; 卸载后 ( Dx = 0), 由 于不可逆塑性变形, 正 向拉力 带并不完 全消失, 在反 向荷载作用 下, 钢 板上 呈现 两个 方 向残 余变 形同 时 存在的情形, 直 至 反方 向位 移不 断 增加 并达 到 - 1 / 50层间位移角 时, 才出 现以 单向 拉力 带为 主的 变形 模式。内嵌钢 板的 高 厚比 越大, 这 种残 余变 形越 明 显, 滞回环的捏拢现象也越显著。
T ests and analysis on hysteretic behav ior of buck ling-restrained steel plate shear w all
GU O Y an lin, DONG Q uanl,i ZHOU M ing ( C ivilE ngineering Departm en ,t T singhua U n ivers ity, Beijing 100084, Ch ina)
对钢材的计算模型, 以 von M ises为屈服准则, 采 用随动强化理 论, 以考 虑包 辛格 ( Bausch inger) 效应。 混凝土本 构关 系 则采 用 单轴 受 压 的应 力-应 变曲 线
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图 3 单轴受压混凝土的应力-应变曲线 F ig. 3 Constitutiue m ode l o f conctre te in BR-SPW
2 防屈曲钢板墙试验研究
21 1 试件设计与安装 试验共 7 个试 件, 如 表 1, 根据 内嵌钢 板高 厚比
(或厚度 )的不 同分为 两组, 对应的 高厚比 K分 别约 为 500 和 400。同一组高厚比 K的墙 板, 又分别设计 了不同形式 的钢 板墙: 普通 钢板 墙 ( SPSW )、防屈 曲 钢板墙 Ñ型 与 Ò 型 ( BR-SPWwenku.baidu.com) 以及 组 合 钢板 墙 ( CSPW )。
31
钢板和盖板 之间 最大 的相 对 滑移 量确 定, 在 大 震下 允许混凝土 盖板 与钢 板之 间 发生 相对 滑动, 以 释放 盖板参与抗侧, 减小后者的破坏。
普通 钢 板 墙 指 不 设 加 劲 肋 的 钢 板 剪 力 墙 ( SPSW )。组合钢板墙 ( C-SPW ) 则由 内嵌钢 板、抗剪 栓钉和混凝 土板 组成, 其混 凝 土与 内嵌 钢板 整 体浇 筑在一起, 混凝土板与边框架间留有缝隙 [ 3-4] 。
建筑结构学报 Jou rn al of Bu ild ing S tructures 文章编号: 1000-6869 ( 2009) 01-0031-09
第 30卷 V o l130
第 1期 N o11
2009年 2月 F eb12009
005
防屈曲钢板剪力墙滞回性能理论与试验研究
郭彦林, 董全利, 周 明 (清华大学 土木工程系, 北京 100084)
延缓了内嵌 钢板极 限 承载 力的 降 低, 因 而延 性有 进 一步的改善。
对于 K = 300的 薄钢 板, 水 平荷 载作 用过 程中, 由于混凝土 盖板与 内 嵌钢 板之 间 存在 间隙, 且薄 板 有强烈的屈 曲趋势, 在 墙板 的局 部 区域 仍将 产生 细 密拉力带作 用, 因 而滞 回环 也表 现 出一 定程 度的 捏 拢, 但与相同 高厚 比的 普通 钢板 墙 相比 已经 大为 改 善, 表现出更强的承载性能和稳定的耗能能力。
与普通钢 板墙 相比, 当 内嵌 钢板 属 于厚 钢板 时 ( K = 100) , 防屈曲钢板墙 ( Ò型 )对刚度和承载力的 提高并不明显, 因为 二者的受 力机理 非拉力带 机制, 主要为 墙 板 的面 内 受 剪。但 由 于 混 凝 土 盖板 的 作 用, 阻止了钢板面外 单波变形 的发展, 防屈曲钢 板墙
摘要: 提出了一种新型的防屈曲钢板墙用作高层建筑的 抗侧力构件。从 理论与试 验两个方面 对防屈曲 钢板墙的滞 回性能 进行研究。其中理论分析主要考察两个不同高厚比的防屈曲 钢板墙 ( Ò 型 )与普通钢 板墙滞回性 能的差异; 试验研 究则主 要针对两种高厚比共计 7个不同的试件, 考察防屈曲钢板墙 ( Ñ型和 Ò型 )、组合钢板墙以及普通钢板墙在往复 荷载作用下 的极限承载力性能、滞回特性、延性以及破坏特征等。通过对比分析, 揭示不同 类型钢板墙的受力 机理与特点, 对四种不同 类型钢板墙的直观表现与受力性能进行总结与评价。 关键词: 抗侧力构件; 防屈曲钢板剪力墙; 滞回性能 中图分类号: TU 973116 TU 31711 文献标识码: A
Abstract: A n ew type o f lateral force res isting system, th e buck ling-restra ined steel p late sh ear w all ( BR-SPW ), proposed by the au th ors w as tested and analyzed in d etai.l Cyclic tests of seven sing le story steel shear w alls of d ifferen t con figurations, nam ely th e SPSW, compos ite steel p late shear wall ( C-SPW ) , BR-SPW both type Ñ and type Ò were carried out to determ in e th eir sh ear capacity, ductility, and hysteretic behav iors. Test resu lts demon strated that th e BR-SPW can not on ly elmi inate th e bu ck ling sound and large ou t-o-f p lane d isp lacem ent of SPSW, bu t also protect th e RC cover p lates from b eing dam aged under the cyclic load ing. Comp arison and evaluation w ere mad e am ong the four d ifferen t steel sh ear w alls, and some usefu l conclus ion s w ere presen ted. K eywo rds: lateral force resisting system; bu ck ling-restrain ed steel p late sh ear w all ( BR-SPW ); hysteretic b eh avior
图 2 内嵌钢板三线型弹塑性本构关系 曲线 F ig. 2 Constitutiue model o f infill pane l
图 1 防屈曲钢 板墙模型 F ig. 1 Ana ly sis m ode l of BR-SPW
本文的研究涉及 钢材、钢筋 和混 凝土 3种 材料。 其中钢材材质选 用 Q235; 内 嵌钢板 为带 强化段 的三 折线本构模型 ( 图 2) , 弹性模量 E = 2106 @ 105M Pa, 屈服应力 fy = 235M Pa, 屈服应变 Ey = 0100114, 强化 初始 应 变 Est = 0102, 强 化段 切 线模 量 Et = 61 18 @ 103M Pa。混凝土内配筋的本 构关系采 用理想 弹塑性 模型, 弹性 模 量 E = 21 06 @ 105M Pa, 屈 服应 力 f y = 235M Pa。
数模型。初始弹模 Ec = 310 @ 104M Pa, 泊松比 012。
1 防屈曲钢板墙滞回性能理论研究
111 有限元模型 防屈曲钢板墙分 析模型 如图 1所 示。为考 察内
嵌钢板本身的受力 特性, 剔除 框架的 影响, 梁柱 节点 采用铰接; 同时, 为给 内嵌钢板 的拉力 场提供足 够的 锚固, 以充分 发 挥拉 力带 的效 率, 设定 梁、柱 刚 度为 无限大; 内嵌钢板为 3m @ 3m 的方形板。
(过镇海曲线 ) , [5] 如图 3 所示, 描述曲线的方程为
y = aax + ( 3 - 2a a )x2 + (a a - 2) x3 (x [ 1 )
(1)
y=
x ad (x - 1) 2 + x
(x > 1)
(2)
其中, x = E/Ec, y = R /f c, aa、ad 为应 力-应变曲 线上
组别 第 1组
第 2组
表 1 试件规格表
T able 1 Spec ifica tion o f test spec im en
图 4 普通钢板剪力墙往 复荷载下平面外变形发展过程 ( K = 300) F ig. 4 D eform ation process of SPSW under cyc lic loading
113 防屈曲钢板墙 ( Ò型 ) 图 5为 K = 100、300时, 防屈曲钢板墙 ( Ò型 )与
普通钢板墙滞回曲 线的比 较。考虑到 在工程中 混凝 土盖板与内 嵌钢 板之 间不 可 能完 全贴 合, 数 值 分析 时二者间预设一 定间隙 ( 5mm ) , 并 采用 AN SY S 中的 面接触单元模拟两者的相互作用。
作者简介: 郭彦林 ( 1958) ), 男, 陕西富平人, 工学博士, 教授。 收稿日期: 2007 年 5月
根 据 混凝 土 盖 板 上预 留 孔 洞的 大 小 及受 力 机 理, 防屈曲钢板墙 又分 为 Ñ 型 ( BR-SPW ( I) ) 与 Ò 型 ( BR-SPW ( Ò ) ) 两种: 其中 Ñ型防屈曲钢板墙盖板上 预留的连接 螺栓孔 与 螺栓 的直 径 相当, 在布 置有 连 接螺栓的 位置, 三块 板 始终 共同 变形。 但在 连接 螺 栓之间的区 域, 内 嵌钢 板与 混凝 土 盖板 可以 发生 相 对滑移; Ò型防 屈曲 钢板 墙 与 Ñ 型 的主 要区 别在 于 盖板上的预 留孔径 大 于螺 栓直 径, 并由 大震 下内 嵌
0 引言
防 屈曲 钢 板 墙 是一 种 新 型高 层 建 筑 抗侧 力 构 件 [ 1-2] 。它由内嵌 钢板 及 两侧 的预 制 混凝 土 盖板 构 成; 内嵌钢板与两侧 盖板通过 高强螺 栓连接, 边 框架 内侧周边设置鱼尾板 来实现 内嵌钢板 与框架 的方便 连接, 连接 方式 可 为栓 接或 焊接。 混凝 土盖 板 与周 边框架之间根据大震 下结构 的弹塑性 层间位 移角限 值, 预留一定宽度的 缝隙, 防止 盖板因 与周边框 架接 触、挤压而破坏。