钢板剪力墙自复位结构体系的抗震分析

王琦，李启才

（苏州科技大学江苏省结构工程重点实验室，江苏苏州215011）

钢板剪力墙自复位结构体系的抗震分析

王琦，李启才

（苏州科技大学江苏省结构工程重点实验室，江苏苏州215011）

钢板剪力墙自复位结构是一种新型的抗震结构体系，它结合了钢板剪力墙的强度、刚度及耗能性能，以及自复位节点的复位特性。为了研究钢板剪力墙自复位结构体系的抗震性能，设计了三层三跨和六层三跨钢板剪力墙自复位结构体系，中间跨为自复位结构，两边跨为铰接钢框架。利用有限元软件0pensees验证了自复位结构试验，选取两条地震波，调整地震波在中震、大震下的峰值加速度，利用软件分析设计的结构在中震、大震作用下的响应。

钢板剪力墙；自复位结构；地震响应

利用钢板剪力墙耗能的自复位结构是在自复位功能结构[1]的基础上加设钢板剪力墙，它利用了钢板剪力墙的强度、刚度和耗能性能能力以及自复位结构的复位性能。具有自复位功能结构（具有复位功能节点见图1）是利用预应力钢绞线，将梁柱压紧，使节点具备足够的抗弯刚度，同时预应力钢绞线提供结构回复力，于地震结束后在预应力钢绞线的作用下，结构可以复位。同时结构的塑性耗能主要集中在易于更换的钢板剪力墙上，震后及时更换钢板剪力墙即可。本文研究的钢板剪力墙是和梁上下两边连接的钢板剪力墙[2-3]，这样钢板剪力墙形成的拉力场就不会对柱子产生附加弯矩，减小了结构对柱子的要求。一层钢板剪力墙自复位结构见图2。

钢板剪力墙自复位结构作为一种新型有效的结构，很多国内外学者对其进行了研究，Clayton等[4-6]对钢板剪力墙自复位结构进行了足尺试验研究，并在此基础上利用有限元软件进行了抗震性能分析，研究表明结构有很好的复位性能和良好的耗能能力。张磊[7]用有限元软件模拟了三层的钢板剪力墙自复位结构的抗震性能，见图3，并分析了钢板的厚度和屈服强度对结构抗震性能的影响。但是钢板剪力墙在结构体系中应用的研究较少。

图1 具有自复位功能的节点

图2 一层钢板剪力墙自复位结构

图3 三层钢板剪力墙自复位结构

该文主要研究了三层三跨钢板剪力墙自复位结构体系（见图4）和六层三跨钢板剪力墙自复位结构体系（见图5），中间跨为钢板剪力墙自复位结构，两边跨是铰接在中间跨的钢框架。用有限元软件OpenSees模拟验证自复位结构，并分析钢板剪力墙自复位结构体系在大震、中震下的抗震性能，分析结构各项性能是否符合目标要求。

图4 三层三跨钢板剪力墙自复位结构体系

图5 六层三跨钢板剪力墙自复位结构体系

1 有限元模拟验证

对潘振华[8]所做自复位节点试验进行模拟验证，来证明OPENSEES软件可以模拟自复位结构。框架梁长3.8 m，取柱两反弯点的距离为3 m。梁、柱的截面尺寸分别为：HN500×300×14×28，HW500×500×20×20，钢绞线的直径为15.2 mm。梁、柱的材料屈服应力为440 MPa，极限应力575 MPa，E=200 000 MPa，采用双折线随动强化模型，强化段的强化模量为0.02E。钢绞线屈服应力为1 860 MPa，弹性模量E=195 000 MPa，强化段模量为0.01E。

梁、柱采用非线性梁柱单元Nonlinear-Beam Column，这个单元可以在地震中用于动力分析并且可以考虑P-Δ效应。梁、柱的材料采用Q345钢，选用材料库里的等向硬化材料steel02模型。钢板剪力墙简化成双向等效拉杆模型[9]，斜拉杆是具有相同倾角的只承受拉力的杆件。斜拉杆采用truss单元，材料本构关系为理想弹塑性间隙材料（Elastic-Perfectly Plastic Gap Material）。钢绞线采用共旋桁架单元Corot Truss，材料本构用等向强化steel02模型，这种材料可以很好地施加预应力。梁、柱之间的接触用弹簧来模拟，采用Corot Truss单元，材料采用弹性不受压材料（Elastic-No Tension Material）。

试验和模拟的滞回曲线，见图6～7。实验承载能力极限值为82 kN，模拟的极限承载能力值为84.5 kN，两者相差3%，误差在影响范围以内。卸载时曲线回到零点，结构的残余位移为0，说明自复位结构有很好的复位性能。随着结构卸载，结构的位移回到零点，结构可以复位。说明有限元软件OPENSEES可以很好地模拟自复位结构。

图6 实验滞回曲线

图7 模拟滞回曲线

2 钢板剪力墙自复位结构的抗震分析

设计了三层三跨钢板剪力墙自复位结构和六层三跨自复位结构体系，该建筑的每层层高为3.3 m，每跨跨度为5.7 m，其中中间跨是钢板剪力墙自复位结构，两边跨是钢框架，梁柱节点是铰接。本地区抗震设计方烈度为8度，设计地震基本加速度为0.3g，设计地震分组为一组，场地类别为Ⅱ类。设计的梁、柱材料均采用Q345B，截面为H型钢，钢板材料采用Q235B，钢绞线的屈服应力为1 689 MPa，弹性模量E=1.95×105N/ mm2。设计的钢板剪力墙参数见表1。

表1 钢板剪力墙自复位结构设计参数

2.1 三层钢板剪力墙结构体系抗震分析

文中分别模拟结构在大震和中震作用下的地震响应，根据地震波选取原理[10]选取ELcentro波和人工波进行模拟分析。由于结构处于8度抗震区，建筑抗震类别为乙级，根据《建筑抗震设计规范》[11]规定调整大震下地震加速度时程分析最大值为510 gal，中震为294 gal。结构在中震作用下，预应力钢绞线保持弹性状态，结构的层间位移角限值取1%，介于规范中大震和小震层间位移角之间。结构的残余变形限制在0.2%时，就可以视为结构可以复位；在大震作用下，预应力钢绞线保持弹性。为了防止结构的突然倒塌，结构的目标层间位移角取2%；

图8与图9分别为中震ELcentro波和Northridge波下结构的反应曲线。在中震下钢绞线的最大拉力值分别为291 kN和297 kN，钢绞线的拉力远小于钢绞线的屈服拉力763 kN，钢绞线在中震作用下都是保持弹性状态。设计的钢绞线的初始拉力是300 kN，由于钢绞线的拉力较大，梁在轴力作用下压缩，最终造成钢绞线预应力损失，但是误差也是在可接受范围内。地震波的加速度是随机的，因此预应力钢绞线并不是完全对称分布。

图8（b）和图9（b）是结构在地震结束后各层残余位移角-层数曲线。钢板剪力墙自复位结构在中震作用下，结构的残余位移角小于0.2%时，结构即可复位。图8、图9可以看出结构的最大残余位移角分别为0.02%、0.022%，均小于0.2%的限值，设计的三层钢板剪力墙自复位结构在中震ELcentro波和Northridge波下均可复位。

图8（c）和图9（c）为结构的顶点位移时程曲线，结构的顶点最大位移分别为30 mm和32 mm，其结构的顶点侧移比为0.3%和0.32%，这些都满足《高层建筑混凝土结构技术规程》[12]规范的限值1/50。

图8 中震ELcentro波下结构的反应曲线

图9 中震Northridge波下结构的时程反应曲

图10与图11分别为大震ELcentro波和Northridge波下结构的反应曲线。图10（a）和图11（a）钢绞线的拉力分别为302、360 kN，钢绞线都保持弹性状态，远小于屈服拉力763 kN。结构的层间位移角0.22%、0.31%，均小于《建筑抗震设计规范》对多高层钢结构的层间位移角的限值2%。图10（b）和图11（b）结构的最大层间残余位移角分别为0.021%、0.02%，也都小于0.2%，说明设计的三层钢板剪力墙自复位结构在大震作用下也是可以复位的。根据图10（c）和图11（c），结构最大侧移比分别是0.32%和1%，均在1/50，符合规定。

图10 大震ELcentro波下结构的时程反应曲线

图11 大震Northridge波下结构的时程反应曲线

2.2 六层钢板剪力墙结构体系抗震分析

图12～图15为六层钢板剪力墙自复位结构体系在中震和大震作用下反应曲线。钢绞线的拉力分别是281、283、292和288 kN，均小于钢绞线的屈服拉力763 kN，钢绞线是保持弹性状态。六层结构的最大残余层间位移角分别为0.22%、0.81%、0.018%和0.026%，都小于0.2%，结构都能复位。六层结构的最大顶点位移分别为30、27、51和30 mm，结构的高度为19 800 mm，结构的最大顶点侧移比为0.15%、0.136%、0.258%和0.15%，均小于1/50的限值要求。

图12 中震ELcentro波下结构的反应曲线

图13 中震Northridge波下结构的时程反应曲线

图14 大震ELcentro波下结构的时程反应曲线

图15 大震Northridge波下结构的时程反应曲线

3 结论

（1）利用OpenSEES有限元软件可以建立钢板剪力墙自复位结构模型，并很好地模拟结构在地震波下的性能。

（2）三层钢板剪力墙自复位结构体系在中震、大震下钢绞线均保持弹性，结构的残余位移角均在0.2%以内，结构最大顶点侧移比小于1/50。

（3）六层钢板剪力墙自复位结构体系在中震、大震下钢绞线最大分别为281、283、292和288 kN，均保持弹性；结构的残余位移角0.22%、0.81%、0.018%和0.026%，均在0.2%以内；结构最大顶点侧移比小于1/50。

（4）钢板剪力墙自复位结构体系的抗震性能较好，可以满足性能目标。

[1]吕西林，陈云，毛苑君.结构抗震设计的新概念-可恢复功能结构[J].同济大学学报，2011，39（7）：941-948.

[2]XUE M,LU L W.Interaction of infilled steel shear wall panels with surrounding frame members[C].Proceeding of Structural Research Council Annual Technical Session.Bethlehem,P A,USA,1994.

[3]XUE M,Lu L W.Monotonic and cyclic behavior of infilled steel shear panels[C].Proceeding of 17th Czech and Slovak International Conference on Steel Structures and Bridges,Bratislava,Slovakia,1994.

[4]CLAYTON P M,BERMAN J W,LOWES L N.Seismic design and performance of self-centering steel plate shear walls[J].Journal of Structural Engineering,2012,138（1）：22-30.

[5]CLAYTON P M,WINKLEY T B,Berman J W.Experimental investigation of self-centering steel plate shear walls[J].Journal of Structural,2012, 138（7）：952-960.

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[7]张磊.钢板剪力墙自复位结构体系的抗震性能研究[D].苏州：苏州科技学院，2015.

[8]潘振华.具有自复位能力的钢框架体系研究[D].北京：清华大学，2010.

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[10]余岳.某L型高层框剪结构抗震性能分析[D].南宁：广西大学,2013.

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[12]中国建筑科学研究院.JGJ138-2010型钢混凝土组合结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

Seismic performance of self-centering structural system with infilled steel plate shear walls

WANG Qi，LI Qicai
（Jiangsu Key Laboratory of Structure Engineering,SUST,Suzhou 215011,China）

The self-centering steel plate shear wall（SC-SPSW）is a new seismic load-resisting system,which combines the strength,stiffness and energy consumption of the SPSW with the recentering capabilities of posttensioned（PT）beam-to-column connections.In order to study the seismic performance of self-centering structural system with infilled steel plate shear walls（SCSS-SPSW）,the paper designs the system of a three-layer-three span and six-layer-three span SCSS-SPSW with a middle span of self-centering structure and an inter-hinged steel frame on both sides.The finite element software 0pensees is used to verify the self-centering structure test, the two ground motions are selected to adjust the seismic ground motions peak value in medium and large earthquake,and the SCSS-SPSW earthquake response by using software analysis.

steel plate shear walls;self-centering structural system;earthquake response

TU391

A

1672-0679（2016）04-0048-06

（责任编辑：秦中悦）

2016－04-21

国家自然科学基金项目（51378326）；江苏省结构工程重点实验室开放课题（ZD1204）

王琦（1990-），男，安徽蒙城人，硕士研究生。

李启才（1969-），男，博士，副教授，从事钢结构的新型结构体系和抗震设计研究，E-mail：ustsgjg@163.com。