装配式钢板剪力墙结构抗震性能研究

王轶多WANG Yi-duo；王丰慧WANG Feng-hui

（①浙江省建工集团有限责任公司，杭州 310000；②浙江省一建建设集团有限公司，杭州 310000）

0 引言

装配式钢板剪力墙本身有着施工效率高、方便运输以及自重较轻等特点，可以更好地同当前多样化、高层化的建筑发展趋势相适应。我国部分地区地震频发并有着较高的地震烈度，为了进一步保障建筑的稳定性，应当确保结构整体具有良好的抗震性能，而装配式钢板剪力墙结构可以有效满足这一要求。

1 装配式钢板剪力墙基本原理及研究现状

1.1 基本原理

装配式钢板剪力墙本身是一个结构的抗侧力构件，其能够有效承担起相应的水平荷载，在同竖向和水平单元相结合的基础上构建起整体的结构体系。其主要是通过对于连接构件和螺栓的应用实现连接，而在连接单元的约束下便能够起到承担结构水平荷载的效用。装配式钢板剪力墙将会在受到地震力作用时实现由水平地震荷载向钢板拉力、压力以及剪力的有效转化，受到荷载作用的影响，剪力墙便会产生屈服，进而起到消耗水平地震荷载的作用，构建起相应的抗震防线，实现对于主体结构体系的有效保护[1]。

1.2 研究现状

以往的钢板剪力墙通常会选用整块钢板以构建起相应的剪力墙，进而形成具有抗侧移能力的支撑结构，并没有意识到钢板的屈曲作用，严重制约了钢板剪力墙实际性能的充分发挥。在后续发展过程中，相关研究人员明确了钢板屈曲后性能的重要性，并将其应用在了航空航天领域。自此，人们开始广泛了解拉力带承载机制以及屈曲后性能相关内容，与此同时，业内针对钢板剪力墙所展开的探索也逐渐将重点转移到了薄钢板剪力墙上。在薄钢板剪力墙完成屈曲之后，将会在边界连接单元方面产生相对较大的附加荷载，这一现象的出现会导致边界连接单元遭受到一定程度的破坏，应当在原有的基础上对其构件截面尺寸进行增加，这样便可以为剪力墙提供必要的约束力，但其在应用过程中会在极大程度上造成结构整体成本的增加。与此同时，钢板的屈曲将会导致剪力墙在滞回曲线中出现捏缩的现象，进而造成其耗能降低。未来，应当针对现有的装配式钢板剪力墙展开深层次的创新和改进工作，以便于有效化解剪力墙在应用过程中所存在的问题，进而助力建筑领域的高质量发展。

2 装配式钢板剪力墙结构抗震性能试验分析

2.1 工程概况

某地区装配式工程属于住宅项目，采用的是纯剪力墙结构形式，地上的主体结构共有17层，总高度是51m，层高是3m，建筑结构安全等级是二级，设计使用的年限具体是50年。在结构抗震设防方面，其属于丙类，该工程场地的抗震设防烈度为8度。剪力墙住宅项目效果图和实物图如图1、图2所示。

图1 剪力墙住宅项目效果图

图2 剪力墙住宅项目实物图

2.2 试验过程

2.2.1 建立模型

此次研究主要是基于YJK软件所提供的结构，将其导入到有限元当中，在此基础上展开弹塑性分析，导入包括多方面内容，有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

通过反复的测试和分析发现，荷载直接影响着质量元的选择。如仅仅是将楼屋面荷载导到周围量墙上，便会导致模型剪力忽略楼板的作用，进而影响楼板的刚性，应用该计算方法所得出的周期位移结果欠缺准确性，所以在导入SAP2000的过程中，应把控模型建立的全面性，以免出现计算刚度出现较小的问题。

在单元间的连接方面，预制结构墙板处有一定的混凝土，接触面之间所具有的粘结强度将会严重影响装配式节点自身的受力情况，所以可以通过COMBIN39弹簧单元的应用模拟混凝土之间粘结力。为能够进一步提升试验的准确性，试验人员要在墙顶部和底部分别施加约束，同时还在板的右侧搭建起一个刚性区域，其大小基本上和质点相符，这便能够尽可能避免混凝土在加载过程中出现被压缩的现象。试验人员先将竖向荷载施加在墙顶部的位置，其轴压比是0.15，在此过程中还要在板的右侧施加荷载，使用位移控制加载[2]。

2.2.2 选择地震波

为了保障试验的准确性，工作人员需要从剪力周期等方面着手选择地震波，具体指的是，当结构处在弹性时程分析的情况下，在计算每一条时程曲线过程中，相对于振型分解反应普来说，最终获得的结构底部剪力，计算结果应要大于65%，根本目的在于合理控制单挑地震波，保障其选择的科学性以及有效性。从本质上来看，地震记录本身存在着较强的地域性特征，所以若想符合本地区的实际情况，应当严格根据相应的规则采取科学合理的措施。在选择地震加速度过程中应当综合考虑多方面情况，在频谱特性方面，研究人员需参照规范针对单挑地震波的傅里叶普展开对比分析，以保障其能够在统计层面达到一致的状态，通常情况下，研究人员应考虑当地的场地条件以及地震情况对地震波的选择进行确定，尽可能保障其能够最大限度接近于本地区的特征周期。研究人员要详细探究具体的抗震设计规范，并在此基础上明确有效加速度峰值，针对不同的地区而言，所记录的地质在时程信息峰值方面存在着一定的差异性，为了有效符合地区特征，应当结合各地区的差异性针对性地调整相应的峰值。

2.2.3 结构地震响应

内嵌钢板和开洞等操作的实施均会影响构件的结构刚度，与此同时还会使结构自振出现变动。内嵌钢板所能够起到的作用基本上同上述要求相一致，如图4所示，其整体呈现出弯曲型的位移形态，相对于其他结构来说能够呈现出较为突出的弯剪型性质。不同结构前三节周期和质量参与系数如表1所示。

图4 结构1阶阵型

表1 不同结构前三节周期和质量参与系数

根据表1可知，结合不同结构所具有的自振特性来看，开洞会延长结构本身的自振周期，并且能够提升结构前三阶质量参数与系数，在完成开洞内嵌钢板工作之后，结构整体的质量参与系数能够可以上升至90%，可以满足相关要求[3]。

从能量的角度进行分析，装配式钢板剪力墙结构在地震作用下所产生的反应，需要经历一个能量从传入到耗散的过程。针对普通结构而言，地震能量将会由地基基础向结构内部传入，并在构件相互作用下的阵型实现阻尼耗能。工作人员科学开展对于耗能构件的设置工作可以促进结构本身滞回能量的进一步提升，以达到提高结构安全性的效果。在普通的剪力墙结构当中，主要是利用结构本身的弹性耗能和动能实现能量耗散，可以基本上同地震所输入的能量相平衡。而在塑性阶段便会降低结构动能所在总体中占据的比例，主要是利用结构的阻尼耗能达到平衡能量的效果。对于结构整体的振动来说，其能够实现对于滞回能量以及阻尼耗能的有效累积，而变形势能以及结构动能则可以展现出一定的周期特性。当处在特定结构状态时，结构自振周期以及总质量直接受到输入结构能量的影响，当地震记录不同的情况下，尽管从时间积累方面来看，其特定结构的能量输入存在差异，但其在最终的峰值上则相对接近。剪力墙结构的耗能部件是整体结构的能量平衡中至关重要的影响因素之一，若是能够提升耗能部件本身的耗能能力，便可以降低其上部结构的非弹性变耗能，进而减少地震对于构件所造成的损害[4]。低屈服点钢材的应用能够有效降低剪力墙的屈服荷载，进而导致其出现屈服破坏，以降低其出现失稳破坏的可能性，公式如下：

该公式中Fer代表的是剪力墙剪切屈服荷载，E则为钢材的弹性模量，G和t分别是剪切模量以及钢板剪力墙厚度，η和μ则分别为塑性折减系数以及泊松比，kv指的是剪力墙屈曲系数，a和b代表了剪力墙边界约束构件的实际长度。

2.2.4 模型验证

钢筋混凝土滞回耗能性能的模拟依然存在着诸多的不利因素，业内在这一方面的研究也有极大的整体，结合实际情况来看，钢筋混凝土结构数值模拟程序具体包括开源有限元软件和商业有限元软件两部分。针对大型通用有限元软件而言，其大多会针对核心计算部分展开更加优质的封装工作，以期为更多用户选择操作提供方便条件，绝大多数情况下则会使用鼠标点选的方式建立模型，而针对那些会对结构构件力学行为造成影响的材料属性而言，通常只能够对软件自身所提供的本构关系进行选择，所以这些通用有限元软件大多难以高效应用在特殊问题上，若想提升其应用成效，研究人员应当对其展开二次开发工作。而类似OpenSees等软件则是一种开源软件，用户能够从自身的实际需求出发展开编程开发工作，通过对于各种编程语言的应用对其具体内容进行丰富，所以其未来有着一定的发展前景。

本研究通过OpenSees软件的应用展开对于剪力墙构件的非线性拟静力往复分析工作，在构件滞回曲线分析的基础上明确时间具体的刚度以及承载力等指标，对于OpenSees软件来说，其已经存在本构模型，并且精确度较好，但在实体单元模拟方面依然存在一定局限性，本文主要是针对固有的实验结果展开数值分析，以实现模型验证。

试件的截面和厚度分别是1300mm和160mm，将刚性加载梁有效设置在墙顶之上，并于墙底的位置进行地梁设置，进而对其与剪力墙进行浇筑，使其构建起一个整体。

墙体试件混凝土材料的强度是C40，通过实际检测确定材料强度是40.2MPa，钢筋材料强度实测数值如表2所示。

表2 钢筋材料强度实测数值

在钢筋材料本构的选取方面，主要包括两种模型，Steel02模型可以对各向同性应变影响进行综合考虑，能够更加全面地展现出包辛格效应。

而在混凝土材料本构方面，混凝土材料自身在拉压异性以及非线性特性方面比较突出，与此同时，结构力学行为分析最终的精确性将会在极大程度上受到来自混凝土材料本构关系的影响。至今为止，国内外已经有诸多研究人员在该方面进行了分析，在通过多样化试验构建起了不同类型的材料本构模型，包括当前常用的Kent-Park模型等，又在此基础上开发了Concrete01与Concrete02本构模型。

通过在试件上施加往复荷载可以获取相应的滞回曲线，同时将其同实验结果之间展开对比分析，结合实际情况来看，二者之间基本上吻合，可以充分展现出剪力墙结构剪切捏缩效应。试验结果对比如表3所示。

表3 试验结果对比

结合表3能够明确，构件在峰值荷载以及屈服荷载方面的精度误差均能够维持在10%范围之内，与此同时，结构位移模拟误差同样可以与其分析要求相适应。因为数值模拟难以充分考虑试件本身的耗能能力，所以在等效粘滞阻尼系数方面，相对于试验值来说，有限元结果比较低。

2.2.5 加载方案

通过归纳和总结现有研究能够得出钢板剪力墙的形态指标和对应位移角，然后便可以在此基础上制定加载方案，本试验所选用的加载方案是依照《建筑抗震试验规程》（JGJ/T101-2015）所制定的。具体可以将加载过程划分成两个部分，其一便是施加低荷载，当其层间位移角到达1/130位置时，便可以模拟地震出现对于试件所造成的伤害。其二则是持续施加荷载，直到试件被破坏[5]。为了能够明确了解地震发生后受到损伤的结构所具有的抗震性能，将会分别设置受损试件以及修复试件。

3 结语

综上所述，合理使用装配式钢板剪力墙结构能够推动我国未来建筑领域的持续平稳发展，在建筑中使用该结构可以充分同当前绿色建筑发展理念相适应，是我国建筑未来转型发展的趋势。装配式钢板剪力墙结构本身在抗震性能方面有着较强的优势，所以在高烈度区域的建筑或者是高层建筑若想提高抗震性能应当强化对于装配式钢板剪力墙结构的应用，以最大限度减少地震灾害对于建筑的负面影响。