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联肢加劲钢板剪力墙滞回性能试验研究与数值分析

马尤苏夫 崔聪 周清汉 杨烊 孙博闻

马尤苏夫, 崔聪, 周清汉, 杨烊, 孙博闻. 联肢加劲钢板剪力墙滞回性能试验研究与数值分析[J]. 工程力学, 2021, 38(9): 212-227. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.11.0795
引用本文: 马尤苏夫, 崔聪, 周清汉, 杨烊, 孙博闻. 联肢加劲钢板剪力墙滞回性能试验研究与数值分析[J]. 工程力学, 2021, 38(9): 212-227. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.11.0795
MA You-su-fu, CUI Cong, ZHOU Qing-han, YANG Yang, SUN Bo-wen. EXPERIMENTAL STUDY AND NUMERICAL ANALYSIS ON HYSTERESIS BEHAVIOR OF COUPLED STEEL PLATE SHEAR WALLS WITH STIFFENERS[J]. Engineering Mechanics, 2021, 38(9): 212-227. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.11.0795
Citation: MA You-su-fu, CUI Cong, ZHOU Qing-han, YANG Yang, SUN Bo-wen. EXPERIMENTAL STUDY AND NUMERICAL ANALYSIS ON HYSTERESIS BEHAVIOR OF COUPLED STEEL PLATE SHEAR WALLS WITH STIFFENERS[J]. Engineering Mechanics, 2021, 38(9): 212-227. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.11.0795

联肢加劲钢板剪力墙滞回性能试验研究与数值分析

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.11.0795
基金项目: 国家自然科学基金项目(51708448)
详细信息
    作者简介:

    崔 聪(1993−),男,山西临汾人,硕士生,主要从事钢与组合结构研究(E-mail: cuicong777@qq.com)

    周清汉(1989−),男,湖南益阳人,工程师,硕士,主要从事混凝土及组合结构设计(E-mail: zqh_20081223@126.com)

    杨 烊(1992−),男,河南安阳人,硕士生,主要从事钢与组合结构研究(E-mail: 294575932@qq.com)

    孙博闻(1997−),女,山东枣庄人,硕士生,主要从事钢与组合结构研究(E-mail: 13181431431@163.com)

    通讯作者:

    马尤苏夫(1987−),男,陕西西安人,讲师,博士,硕导,主要从事钢与组合结构研究(E-mail: yusuf@xust.edu.cn)

  • 中图分类号: TU393

EXPERIMENTAL STUDY AND NUMERICAL ANALYSIS ON HYSTERESIS BEHAVIOR OF COUPLED STEEL PLATE SHEAR WALLS WITH STIFFENERS

  • 摘要: 完成了3个1/3比例的3层联肢钢板剪力墙试件的低周反复加载试验。3个试件的钢板剪力墙分别采用非加劲、槽钢竖向加劲和井字加劲的形式,钢板剪力墙的竖向边缘构件采用方钢管混凝土。得到了联肢钢板剪力墙试件的荷载-位移滞回曲线和破坏形态,对试件的骨架曲线、应力发展、延性及耗能能力等进行了分析。采用有限元软件ABAQUS对试件进行了数值模拟。结果表明:非加劲和槽钢竖向加劲墙板先屈曲后屈服,井字加劲墙板先屈服后屈曲,墙板屈服后连梁与钢板剪力墙边框梁相继屈服。方钢管混凝土柱脚屈服较早,屈服后仍具有良好的承载力和弹塑性变形能力。采用非加劲墙板的试件承载力最低,滞回环捏缩效应最严重,其次是采用槽钢竖向加劲墙板的试件。采用井字加劲墙板的试件滞回环较饱满。井字加劲和槽钢竖向加劲试件的峰值荷载分别比非加劲试件的峰值荷载提高了11.7%和6.9%,井字加劲和槽钢竖向加劲试件的等效黏滞阻尼系数分别比非加劲试件的等效黏滞阻尼系数提高了65.9%和19.9%。各试件的延性系数均大于4.5,表明不同加劲形式的联肢钢板剪力墙均具有良好的延性。数值分析与试验结果吻合较好,可充分地反映试件的滞回性能和破坏过程。加劲肋对连梁和边缘构件的内力影响较小,但可显著提高剪力墙板的抗剪承载力。相较于两片单肢钢板剪力墙,联肢钢板剪力墙的承载力和耗能能力均有大于20%的提高。
  • 图  1  联肢钢板剪力墙

    Figure  1.  The coupled steel plate shear walls

    图  2  试件几何尺寸

    Figure  2.  Dimensions of specimens

    图  3  加载装置

    Figure  3.  Test setup

    图  4  加载程序

    Figure  4.  Loading protocol

    图  5  测点位置

    Figure  5.  Arrangment of instruments

    图  6  试件局部破坏

    Figure  6.  Local damage of specimens

    图  7  试件破坏顺序

    Figure  7.  Failure sequence of specimens

    图  8  滞回曲线

    Figure  8.  Hysteresis curves

    图  9  典型滞回环对比

    Figure  9.  Comparison of typical hysteresis loops

    图  10  骨架曲线

    Figure  10.  Envelope curves

    图  11  墙板屈曲后应力状态

    Figure  11.  Stress state of the plate

    图  12  构件应力发展

    Figure  12.  Stress development of components

    图  13  等效黏滞阻尼系数计算

    Figure  13.  Equivalent viscous damping coefficient cauculation

    图  14  等效黏滞阻尼系数

    Figure  14.  Equivalent viscous damping coefficient

    图  15  混凝土单轴受压应力-应变曲线

    Figure  15.  Uniaxial compression stress-strain curve of concrete

    图  16  模型CSPSW-CS

    Figure  16.  The model of CSPSW-CS

    图  17  结果对比

    Figure  17.  Comparison of results

    图  18  柱脚钢管损伤

    Figure  18.  Damage at column base

    图  19  破坏形态对比

    Figure  19.  Comparison of failure modes

    图  20  模型CSPSW-CS内力发展

    Figure  20.  Internal force of model CSPSW-CS

    图  21  一层墙板内力发展

    Figure  21.  Internal force of web plates at first story

    图  22  模型几何尺寸

    Figure  22.  Dimensions of numerical model

    图  23  连梁净跨度对承载力的影响

    Figure  23.  Influence of net span of coupling beam on bearing capacity

    图  24  连梁净跨度对耗能的影响

    Figure  24.  Influence of net span of coupling beam on energy dissipation

    图  25  连梁净跨度对构件内力的影响

    Figure  25.  Influence of net span of coupling beam on internal force of members

    图  26  墙板净跨度对承载力的影响

    Figure  26.  Influence of net span of web plate on bearing capacity

    图  27  墙板净跨度对耗能的影响

    Figure  27.  Influence of net span of web plate on energy dissipation

    图  28  墙板净跨度对构件内力的影响

    Figure  28.  Influence of net span of web plate on internal force of members

    图  29  连梁腹板厚度对承载力的影响

    Figure  29.  Influence of web thickness of coupling beam on bearing capacity

    图  30  连梁腹板厚度对耗能的影响

    Figure  30.  Influence of web thickness of coupling beam on energy dissipation

    图  31  连梁腹板厚度对构件内力的影响

    Figure  31.  Influence of web thickness of coupling beam on internal force of members

    表  1  构件与板件截面

    Table  1.   Sections of members and plates

    构件截面/mm备注
    边框柱□160×8热轧无缝方管
    1层、2层边框梁HN150×75×5×7热轧H型钢
    3层边框梁H150×100×10×16焊接H形截面
    连梁HM148×100×6×9热轧H型钢
    墙板3×800×950热轧钢板
    梁柱节点隔板10×220×220热轧,开$ {\text{ϕ}} $80 mm圆孔
    槽钢加劲肋槽5热轧槽钢
    井字加劲肋(竖)6×60×820热轧钢板
    井字加劲肋(横)6×60×660热轧钢板
    井字加劲肋圆管$ {\text{ϕ}} $26.8×3冷弯圆管
    连梁加劲肋6×40×130热轧钢板
    鱼尾板(竖)6×60×950热轧钢板
    鱼尾板(横)6×60×650热轧钢板
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    表  2  钢材力学性能

    Table  2.   Mechanical properties of steels

    板厚/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/MPa伸长率
    名义实测
    33.002703811.96×1050.32
    55.083644941.98×1050.29
    65.943434832.09×1050.32
    76.863324732.26×1050.27
    87.743894912.34×1050.28
    98.703274802.02×1050.25
    109.694646182.10×1050.29
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    表  3  破坏状态对应层间位移角

    Table  3.   Story drift at each damage state

    顺序试件CSPSW-US试件CSPSW-CS试件CSPSW-GS
    状态层间位移角/(%)状态层间位移角/(%)状态层间位移角/(%)
    1墙板屈曲0.10(1/1009)墙板屈曲0.24(1/420)墙板角部撕裂0.68(1/148)
    2墙板角部撕裂1.51(1/66)墙板角部撕裂0.69(1/144)墙板屈曲0.73(1/137)
    3连梁节点焊缝断裂1.51(1/66)连梁节点焊缝断裂1.77(1/57)连梁节点焊缝断裂1.18(1/85)
    4墙板中部撕裂1.82(1/55)边框梁端部屈曲1.77(1/57)边框梁端部屈曲1.56(1/64)
    5边框梁端部屈曲2.38(1/42)墙板中部撕裂2.25(1/45)墙板中部撕裂1.71(1/58)
    6柱脚鼓曲2.64(1/38)柱脚鼓曲2.25(1/45)柱脚鼓曲1.99(1/50)
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    表  4  整体骨架曲线特征点

    Table  4.   Characteristic points on global envelope curves

    试件编号加载方向屈服峰值极限μ
    Py/kNΔy/mmΔy/H/(%)Pmax/kNΔmax/mmΔmax/H/(%)Pu/kNΔu/mmΔu/H/(%)
    CSPSW-US890.223.712.661097.469.736.35932.8117.6112.614.96
    848.317.822.101084.659.705.50921.997.4610.575.47
    平均869.320.772.391091.064.725.93927.4107.5411.605.22
    CSPSW-CS952.120.042.101161.158.185.01986.896.349.764.81
    901.915.091.671170.759.475.08995.693.869.436.22
    平均927.317.571.891166.258.835.04991.395.109.595.52
    CSPSW-GS992.023.412.361219.267.895.571036.397.439.404.16
    970.520.262.091218.858.994.841036.097.109.374.79
    平均981.321.842.231219.063.445.201036.297.279.394.48
    注:PyΔy为屈服荷载、位移;PmaxΔmax为峰值荷载、位移;PuΔu为极限荷载、位移;μ为位移延性系数。
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    表  5  有限元与试验结果对比

    Table  5.   Comparison between analyses and tests

    试件初始刚度/(kN·mm)初始刚度
    误差/(%)
    峰值荷载/kN峰值荷载
    误差/(%)
    有限元试验有限元试验
    CSPSW-US77.773.06.41153.11097.45.1
    CSPSW-CS82.677.76.31180.01170.70.8
    CSPSW-GS82.778.25.91261.21219.23.4
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    表  6  模型构件与板件截面

    Table  6.   Sections of members and plates of model

    构件截面/mm
    边框柱□500×25
    1层、2层边框梁H450×300×8×14
    3层边框梁H500×400×14×22
    连梁H600×350×14×22
    墙板3×2800×3300
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    表  7  连梁破坏模式

    Table  7.   Failure modes of coupling beams

    钢连梁净跨钢连梁破坏模式
    ln < 1.6Mp/Vp剪切破坏
    1.6Mp/Vpln < 2.6Mp/Vp弯剪破坏
    ln ≥ 2.6Mp/Vp弯曲破坏
    注:MpVp分别为连梁的塑性抗弯和塑性抗剪承载力。
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-06
  • 修回日期:  2021-04-24
  • 网络出版日期:  2021-05-26
  • 刊出日期:  2021-09-13

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