多箱钢板剪力墙静力性能试验与数值分析

赵滇生,魏永坤

(浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州 310014)

钢板剪力墙是一种能够有效抵抗风力和地震力的新型抗侧力体系,由内嵌钢板、周边梁柱以及连接件和加劲肋等组成[1]。多箱钢板剪力墙是一种新型钢板剪力墙结构,墙体内腔根据需要可以选择浇筑混凝土,具有构件制作方便简单、施工速度快、用钢量经济、自重轻等优点。本文设计一组一字型多箱钢板剪力墙,对其进行单调加载试验[2]和非线性有限元分析,分析了剪力墙静力受力性能及箱数和高宽比的影响。并根据分析结果,分析规范公式对该类截面的适用性。

1 试验分析

1.1 试件

所有的试件均采用Q235B钢材,系采用热轧H型钢与热轧钢板焊接而成,钢板厚度t均为3 mm。试件的水平荷载由加载系统自动收集,同时在试件顶部和底部一端设置位移计。此外,在试件中布置12个应变花测量墙体关键部位的应变。以五箱截面为例,截面形式以及测点布置见图1。经过同材料钢材制作标准拉伸试件进行拉伸试验,测得钢材的主要力学性能指标见表1。试件编号、截面尺寸、主要截面特征见表2。

图1 多箱钢板剪力墙试件示意图

钢材型号屈服强度fy/MPa抗拉强度fu/MPa弹性模量Es/GPa泊松比ν伸长率δ/%Q235240351.72050.3037

表2 多箱钢板剪力墙试件尺寸

1.2 加载方式

试验通过拟静力电液伺服加载系统进行加载,该加载装置可通过竖向千斤顶加载1 000 kN的荷载,通过水平千斤顶加载600 kN的荷载,加载装置见图2。

图2 加载装置

水平荷载正式加载按照力控制分级单调加载,当试件能够维持施加的水平力降到峰值水平力的85%以下时,停止实验。

1.3 试验结果及分析

根据加载结果绘制图3荷载-挠度曲线,各试件受力性能参数见表3。

图3 试件荷载-挠度曲线

编号高宽比箱数屈曲承载力Py/kN屈服位移uy/mm极限承载力Pmax/kN极限位移umax/mm延性比βKL1854969.259042.54.62KL26.444808.652336.84.28KL34.8342014450KL48429512.2349615KL58320810.228247.54.66

从结果可知,试件的延性比在4～5之间,平均值为4.64,位移延性系数大于4,表明剪力墙延性良好,试件屈服后仍有较好的变形能力。试件KL3的位移延性比较小,主要是墙体出现整体面外屈曲失效,变形未充分发展。对比试件KL1、KL2和KL3,随着高宽比的增加,剪力墙的初始刚度和承载能力增大,高宽比较大的试件屈服承载力与极限承载力均有所提高。原因是高宽比较大的墙体单个箱体宽度更小,加劲肋更密,因而有效提高了钢板的抗局部屈曲能力；同时随着高宽比的增大,构件延性比也有所提高,说明增大剪力墙的高宽比可有效提高其延性。对比试件KL3和KL4可以发现随着箱数的增加,构件的屈服荷载与峰值荷载均有明显提高,而延性比却变化不大。综上,构件高宽比大,延性较好,承载力较好。增加构件箱数可以提高其水平承载力,但对构件延性影响不大。

通过试验发现多箱钢板剪力墙不仅具有较高的初始刚度、屈服承载力和极限承载力,而且具有较好的延性。在正常使用状态下可以有效地控制建筑物的横向侧移,而在罕遇地震作用时也可以保持足够的承载力储备和较好的延性。

2 有限元分析

本文采用有限元软件ABAQUS分析选取二维壳S4R单元,采用弧长法求解几何非线性和材料非线性问题[3]。模型截面和材料定义与试件相同,模拟试验条件施加约束和荷载进行计算。数值分析结果与试验结果荷载-挠度曲线对比见图4。

图4 构件荷载-挠度曲线对比

从图4中可以看出有限元模型分析结果与试验结果大致吻合,极限承载力与试验结果接近。但是高估了试件的初始刚度和极限承载力,低估了试件的变形,分析认为可能是由于以下原因造成的：

1) 有限元模型里的约束刚度相比试验构件实际的约束更大,从而导致其分析得到的承载力较高；

2) 试验试件在试验时,由于没有平面外约束,墙板出现面外整体变形,影响试件的刚度和承载力,使试件的变形增大；

3) 试验试件制作过程中产生的焊接残余应力和初始变形导致试件的刚度和承载力有所下降；

4) 通过多箱截面钢板剪力墙极限承载力与屈曲承载力的比较可知,多箱钢板剪力墙在钢板局部屈曲后还有很大的屈曲后强度可利用,因此在罕遇地震作用下利用多箱钢板剪力墙的屈曲后强度不仅可以提高构件的延性,达到节能的目的,同时还可以取得良好的经济效益。

另外,对钢材强度等级分别为Q235、Q345、Q390、Q420多箱钢板剪力墙建立了有限元模型,对比分析表明随着钢材强度等级的提高,多箱钢板剪力墙的极限承载力在一定阶段出现明显提升,但是随着钢材强度等级的继续提高,其影响也在逐渐减小,同时，会在一定程度上降低多箱钢板剪力墙的延性[4]。

3 规范公式验证

《高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ 99—2015)》在附录B.3.2中，给出了仅设置竖向加劲肋的钢板剪力墙的弹性剪切屈曲临界应力计算公式。多箱钢板剪力墙弹性屈曲承载力试验结果与公式计算结果的对比见表4。

表4 承载力对比

由表4可知,《高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ 99—2015)》中仅设置竖向加劲肋的钢板剪力墙弹性屈曲抗剪承载力公式计算结果与试验结果吻合良好,说明该公式也适用于多箱钢板剪力墙的弹性屈曲抗剪承载力计算。

4 结 语

根据上述的分析结果,可得以下结论:

1) 多箱钢板剪力墙总体表现出具有较高的承载能力、抗侧刚度和良好的延性,能较好地体现结构“耗能抗震”的设计理念；

2) 相同高度多箱钢板剪力墙极限承载力随高宽比和箱数的增大而增大；

3) 多箱钢板剪力墙荷载位移曲线的试验结果与有限元分析吻合较好；

4) 试验和有限元分析结果与《高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ 99—2015)》附录B.3.2公式计算结果对比，表明该公式可应用于多箱钢板剪力墙的弹性抗剪承载力计算中;

5) 在抗震设计中,多箱截面钢板剪力墙在弹性屈曲后还有较大的屈曲后强度可以利用。