研究加筋的抗震性能与缝钢板剪力墙

文摘

确定力机制与缝钢板剪力墙,在这项研究中使用的推覆分析方法。估计方程的侧向承载力提出了考虑边缘加劲肋的作用。一个简化的弹塑性分析模型为加筋钢缝隙组成的墙梁元素,提出了在考虑边缘加劲肋形式的影响。建立了墙框架分析模型,几何参数定义。两个标本进行推覆分析,通过比较分析验证结果从实验中,壳单元模型和简化模型。简化模型提供了一个良好的预测的横向刚度和强度钢缝墙,与实验结果相比误差小于10%。轴承墙和框架的相互影响也预测正确。最后,钢缝墙框架结构的抗震性能评估。结果表明,钢缝墙会阻止梁、柱被地震损坏,钢缝墙是一个高效的能量耗散组件。

1。介绍

钢板剪力墙及其变化为地震横向荷载抵制组件有吸引力的方式对新的和改造建设。这些设计包括钢壁穿孔与圆形孔(1,2)、钢铁墙壁与加强大型矩形开口(3),buckling-restrained钢板剪力墙(4),菱形低屈服强度钢板(5)、钢铁墙壁垂直狭缝(6),修改缝配置(7- - - - - -9]。钢缝壁有许多显著的优点,如高延性、高的能量耗散能力,潜力架构的灵活性,一个简单的强度和刚度(评估和调整方法6),一个相对简单的制造和施工过程。由于其优良的抗震性能和潜在的工程应用,一系列的实验和分析调查的延性、耗能能力,和稳定的行为。

Hitaka和松井秀喜6)进行了一系列的单调和循环荷载试验钢缝墙。这些研究者研究了力机制通过改变三个主要裂隙参数:width-to-thickness比率的链接,链接length-to-thickness比率,链接的行数。结果表明,钢缝墙高延性和耗能能力,因为钢铁缝壁屈曲前收益率。调整狭缝参数会导致钢铁缝墙能够有效地避免过早屈曲。Hitaka et al。10)对钢进行了另一系列测试缝隙的墙壁。在这些测试中,钢框架的影响考虑在内。墙上的测试表明,介质刚度、横向刚度和极限强度的钢缝墙是类似于Hitaka和松井获得的结果6),但对于钢铁缝墙刚度,横向刚度和极限强度远小于Hitaka和松井的结果6]。作者将这一现象归因于框架的变形,但没有公布更详细的分析。还提出了一个等效斜撑模型可以用于商用框架分析程序。议会和刘11,12)使用有限元分析方法来研究钢缝墙和钢的力机制缝墙框架结构,进行了一系列的实验来验证有限元分析的结果。标本的高宽比是2。与测试由Hitaka et al。10),议会使用的框架的梁柱节点铰接。因此,钢铁缝墙抵制整个水平载荷。

在中国,赵et al。13)进行了循环荷载试验钢缝墙。在该测试中,他们检查了12个标本使用比例模型全面模型的1/4。结果表明,相比之下,钢铁缝墙与一行链接大部分钢铁缝墙两行链接有更高的极限强度和横向刚度和更全面的磁滞曲线。极限强度和横向刚度降低增加链接长度。基于实验结果由郭et al。14,发现钢壁得到了更好的耗能能力和延性width-to-thickness比缝列时不到15和高宽比是3。钢缝墙的抗震性能分析在不同地震波通过徐et al。15]。此外,钢frame-steel钢板剪力墙的抗震性能与淤积也进行了试验和数值模拟循环水平荷载和恒定的垂直荷载下,例如,陈等人。16和陆等。9]。产生的设计规则,以确保钢墙先于框架成员的产生以及足够的能量消散了。一些分析模型对钢铁缝墙也被提出。赵et al。17)提出了一个简化模型通过非线性弹簧单元进行模拟。根据刚度等效原则,沈18和杜19情况]提出了中心支撑和简化分析模型。有限元分析方法被用来展示他们的模型的正确性。他们的研究结果的基础上,江泽民et al。(20.)提出了另一种类型的简化分析模型用两根棍子称为横拉条。测试结果和使用简化模型计算的结果进行比较来证明他的模型的可行性。

先前的研究结果极大地强调钢缝墙的工程应用。提供设计建议,许多标本使用ANSYS进行了分析。结果的基础上,提出了合理的裂缝参数,迫使钢铁缝墙是澄清的机制。然而,大多数软件包用于工程设计办公室没有能力模型钢缝壁直接,很少考虑材料的非线性壳元素。作为一个持续发展的上述分析,本文提出了一种简化的分析模型。它可以是一个伟大的帮助钢铁缝墙的建模和分析。随着钢铁缝墙相连地作用于外框架结构,为预期的模型是非常重要的考虑他们的耦合效应。模型提出了被称为“墙框架分析模型”和力学特性的基础上,建立了受水平荷载的钢缝墙而不是等效刚度和等效承载力规则。基于简化模型,非线性静态和动态行为的剪力墙可以方便地确定。我们简化模型也可以完全代表的相互影响剪力墙和框架。

2。推覆分析钢缝墙

2.1。配置和钢缝墙的有限元模型

钢缝壁是由钢板与行由等距的垂直缝分隔空间,形成一系列的弯曲裂缝之间的链接。图1显示的配置加筋钢缝墙和所有的几何参数定义这堵墙。,,高度,宽度,和墙面板的厚度。和表示弯曲链接的高度和宽度。狭缝的宽度。和代表加劲肋的宽度和厚度。是弯曲的链接的数量在每一行,然后呢的行数。加强钢铁缝壁的稳定,焊接边缘加强剂通常是一起使用的垂直剪力墙(21]。为了最大化钢铁缝墙的刚度,缝通常很小。压力降到最低浓度,激光切割通常是使用,使用圆弧在每个缝结束(22]。实验和数值研究结果表明,当狭缝配置设计正确,以避免过早屈曲,高延性和耗能能力可以同时实现。平面外变形很小,迫使钢铁缝壁状态类似于平面应力条件下(6]。

节点有限应变壳元素称为“SHELL181”中使用ANSYS软件模拟钢缝墙。本构模型对钢铁被选为三线性模型和弹性模量N /毫米²屈服后,切线模量,屈服强度N /毫米²,极限强度N /毫米²和泊松比。•冯•米塞斯屈服准则用于分析钢铁缝墙的行为。作为边界条件,板的底部是完全固定的,的出平面运动和转动自由度的顶部板是固定的,和有平面平移自由度的耦合。首先介绍了屈曲模式作为一个初始缺陷,和振幅(23,24]。

两个不同的样本,测试结果和有限元模型的计算结果比较图2。图2(一个)演示了一个标本(A102)测试Hitaka和松井秀喜6]。其高宽比接近1。另一个标本的包络曲线(S4) [25现在呈现在图2 (b)。试样的几何参数毫米,毫米,,毫米,毫米,,毫米,毫米,毫米。测试设置如图3旨在运用剪切变形钢板标本。水平荷载是应用于样品通过一个液压千斤顶1000 kN能力。的梁进行有限元分析是在良好的协议与实验数据。因此,本文提出的建模方法是可行的。

2.2。参数钢缝墙标本

根据计算的统计数据(26),20个样本选择研究狭缝的影响参数对壁板的性能。总结了相应的几何尺寸表1。基本的几何尺寸如下:毫米,毫米,毫米,毫米,高宽比。

2.3。确定在推覆分析不同设计参数的影响

图4表明,当相当小,荷载位移曲线是非常温和的,结构显示相当大的延性。的价值增加,侧向刚度和极限承载力显著增加,但突然因为当荷载位移曲线下降值非常小,平面外变形很小,墙的破坏模式是弯曲的弯曲平面上链接,属于强度失败。墙上产生屈曲之前。因此,推覆曲线没有下行分支。作为增加,故障模式成为平面外屈曲,和推覆曲线下降突然加载的过程中。

图5显示的行为影响钢缝墙的行为以同样的方式。作为减少,钢缝墙的行为变得越来越更像没有缝钢板。平面外变形越来越大,平面弯曲的墙使推覆曲线在加载阶段大幅下降。

表达之间的差异的推覆曲线钢缝墙与不同值更清楚,平均切应力()是用于图6而不是负担。这表明几乎没有影响钢缝壁的横向刚度。一般来说,下行分支似乎更清楚推覆曲线的墙更大的值。的增加价值,平面屈曲变得相当容易。

图7表明,经历的墙壁全塑性变形平面外屈曲前,增加、横向刚度和极限承载力的钢铁缝壁显著增加,因为值降低。在增加,弯曲变短和厚的链接。在相同加载阶段,弯矩的弯曲链接变得越来越小,和弯曲的链接需要当他们开始产生较大的横向荷载。

2.4。钢的机械特性缝墙

全球钢铁缝壁变形和弯曲的自由体图链接如图8。示意图显示,受水平位移时,钢缝壁经历大的弯曲变形相对于剪切变形。狭缝像梁的弯曲之间的联系双曲率和并行工作。实验结果表明,当所有弯曲的链接在一个给定的行实现他们的塑料容量,最大强度的钢缝墙达到[6]。考虑边缘加劲肋的影响,外部弯曲链接被认为是一个丁字形的部分(图9)。弹塑性侧承载力和最初的横向刚度钢的狭缝墙见图10。是派生的,它可以表示为 和(2)提出了估计的初始横向刚度钢缝墙(6] 分母包括三个部分代表nonslotted区域的剪切变形,弯曲的剪切变形缝之间的链接,和弯曲的挠曲变形缝之间的链接。江et al。20.提出了校正因子:,弯曲的应力集中在最后的链接。当狭缝的宽度足够小,边缘加劲肋形式考虑,方程可以表示如下: 在哪里是t形截面的横向刚度的两面墙壁和是链接弯曲的横向刚度。

表2说明了承载力和侧向刚度的计算公式和数值模拟,代表的结果之间的误差(2)和模拟和代表的结果之间的误差(3),(3 b)和(3 c)和模拟。它显示了明确的证据表明,(3),(3 b)和(3 c)提供一个良好的预测钢缝壁的横向刚度,与实验结果相比误差小于10%,1)只适用于估计的强度与单层缝墙。一些链接之前扣在加载过程中,产生了弯曲链接的数量与多层缝缝隙的墙壁是相当难以预测的。方程(1)只需要一层考虑了弯曲的链接。

图11显示了钢结构行为的狭缝墙(W20表1当达到最大强度。所有弯曲链接发展塑料时刻能力在他们结束,和钢的屈服缝墙几乎只发生在这些区域(图(11日))。边缘加劲肋形式开发塑料行为相关的高度弯曲的最后联系。外部链接就像一个t形截面受弯构件。从图11 (b),我们发现链接的水平变形是几乎相同的在相同的高度;即弯曲相互链接并行工作时受到水平位移。图11 (c)表明钢缝墙开发一个完整的塑料时刻前屈曲的能力。墙的平面外变形很小,不到一半的钢铁缝壁的厚度。

3所示。加强钢铁缝墙的简化分析模型

3.1。几何结构的简化模型

基于上述分析力学特性的钢缝墙,墙框架分析模型(如图12)。介绍了框架元素的简化模型来模拟钢缝墙的行为而不是壳单元。的几何参数定义如下的简化模型。

框架元素标记为“我”,长度,用于模型弯曲裂缝之间的链接。一个矩形截面在本部分中使用。符号的含义(,,)已经在图解释1。弯曲变形、剪切变形和轴向变形弯曲的链接都是考虑的计算。框架元素标记为“二世”用于模型的外部弯曲连接钢缝墙。t型截面被认为是,最外层钢板和复式断面边缘加劲肋。建模时钢铁缝墙,框架元件应配合t形截面的形心。框架元素“三世”和“四”模拟nonslotted区域上面,下面,和弯曲之间的联系在一起,这被称为带区,如图1。下的剪切变形水平荷载和垂直荷载下的轴向变形被认为是第三元素”。“乐队的高宽比区非常小。水平载荷下的弯曲变形从而可以在模型中被忽视。分析数据表明,简化所带来的误差非常小。的截面元素元素可以采取“三世”一样的“我”或“二世”连接到它。元素“第四”是用来模拟水平载荷下的轴向变形,以及竖向荷载下的剪切和弯曲变形。根据元素的位置,,,选择定义梁段第四元素”。“乐队的挠曲变形区垂直荷载下考虑。黑圈“V”位于两端的弯曲链接代表了塑料铰链占钢铁材料非线性的狭缝墙。弯曲链接可以开发完整的塑料时刻两端在侧向大变形的能力。

3.2。非线性参数的定义与塑性铰

非线性参数的定义与塑性铰是非常重要的,因为塑料铰链要求全球钢铁材料非线性行为的狭缝墙。基于现有的试验和非线性分析数据,定义载荷变形关系曲线。然后,相关的非线性参数曲率的塑料铰链力矩之间的关系得到全球钢的变形缝墙和局部弯曲变形的链接。

force-deformation关系描述的广义组件建模陈纯41(推荐的27)(图13)是采用的非线性行为的定义钢缝墙。B点在图13代表了国家的塑料铰链已经开发出的两端弯曲链接。那一刻的弯曲链接是由(4),和相应的和弦旋转角是由(5)如下: 在哪里是钢的屈服强度,是弯曲的塑料剖面模数链接,然后呢的初始刚度钢铁缝墙。通常,当塑料铰链分配给元素“A”和“B, B点的值可以通过程序(例如,Sap2000或大富翁)。然而,钢铁缝壁产生平面外变形时受到水平荷载。虽然平面外变形非常小,墙不会发生屈曲,还有影响屈服强度(28]。因此,被分配到屈服点B (26]。点C代表组件的强度极限。横坐标的值等于显著的变形强度退化(CD)行开始。基于实验和非线性分析数据库,一个纵坐标值的保守和3%的横坐标值分配给点(27]。在点D之外,大大降低强度的钢缝墙响应点大肠残余强度的点被认为是20%的收益能力。4%的偏航角是用来避免急剧转变点C和D,这通常会导致计算困难和无法收敛。点E对应钢缝壁的彻底失败。点的纵坐标值E D是一样的点,而横坐标的值等于4.5%。变形大于点E,组件的强度基本上是零。后非线性参数的定义与全球相关行为,非线性参数转化为参数开弯曲链接的行为是必要的。因为乐队的变形区远小于弯曲变形的链接,假定所有的变形发生在有槽区域。从上面的分析中,发现受到水平位移时,梁的挠曲链接像系列双曲率和并行工作。所以转换关系可以表示如下: 在哪里是钢的偏航角和狭缝的长城吗的和弦旋转角弯曲链接。

4所示。结果与讨论

4.1。验证简化分析模型

验证墙框架分析模型,结果从两个测试标本,A101 [6]和F100W102 [29日),从简化模型结果进行了比较。所有标本的钢板的尺寸800毫米×800毫米×4.5毫米,而边界条件是不同的。加载幅理想化的边界条件下,而后者是由钢铁有限时刻框架。墙柱框架的有效性分析模型在两组不同的边界条件下将决定在这一节中。列出了样本的几何参数表3。

图14显示了在Sap2000中创建的标本的简化分析模型。两个精确模型元素SHELL181也在ANSYS中创建。材料和几何非线性都考虑。刚性元素中使用区域的上、下边界钢缝墙的有效摩擦表面覆盖的高强度螺栓摩擦连接。

测试和不同的分析模型的荷载位移曲线如图所示15。壳单元模型和简化模型的曲线比较良好的测试。表4和5总结之前的初始刚度和最大强度2%的偏航角。下标“经验值”是指实验结果,而下标“F”“有限元”和“SM”分别指结果估计公式,有限的壳模型和简化模型。简化模型观察提供的一个很好的预测钢缝墙的刚度和强度,与实验结果相比误差小于10%。

数据16和17展示钢架的力矩图从不同计算模型的漂移角下1/500和1/100,这对应于弹性和弹塑性状态,分别。现在图这些图连接到钢缝墙太复杂和相对较小;因此,图中没有显示数据。钢框架的控制部分,时刻从壳元模型获得略大于时刻从墙框架分析模型获得了约5%,这意味着可以使用简化的分析模型的设计包含钢结构缝产生的附加剪力墙占钢铁缝墙。

4.2。推覆分析钢Frame-Steel板剪力墙

为了说明这种新的简化分析模型的应用在结构分析中,原有,4-bay, 3-span钢架结构被选中作为一个设计的例子,这是类似于议会的引用和刘11,12]。这种钢框架结构是一种横向承重结构,及其几何参数如图18。统一的死在加载和活荷载标准层单独作为4 kN / m²和2 kN / m²,但5 kN / m²和2 kN / m²分别在屋顶上。初步选择后,一步一步的小道,满意,相应的需求在中国设计规范,最后确定工形截面梁的截面尺寸和列如下:横向梁:450 mm×220 mm×10毫米×14毫米,纵向梁:400 mm×200 mm×8毫米×12毫米,和列:500 mm×300 mm×10毫米×16毫米。纵向框架的侧向刚度的第一个故事是37.07 kN /毫米和34.01 kN /毫米的故事,同时,横向框架的侧向刚度是第一个故事29.66 kN /毫米和27.21 kN /毫米的故事。

基于结构的动态行为的原则两大轴的方向应该是类似的,我们可以估计所需的横向刚度纵向框架,这样第一个故事的横向刚度的纵向框架37.07 kN /毫米和其他故事的横向刚度是34.01 kN /毫米。获取相关参数所需的钢缝墙每一帧,(3),(3 b)和(3 c),和结果总结在表6。图19显示了两个框架结构和钢缝墙的不同布局。推覆分析方法用于分析两种结构的抗震性能在频繁的地震和罕见的地震设防烈度区8在中国(30.]。设计基本的地面运动加速度为0.2 g和0.3 g频繁和罕见的地震,分别。

基于能力谱法(CSM) [31日],SSFW-1容量曲线和SSFW-2发现相交频谱在频繁的地震条件下的需求,以及他们的十字路口位于线性谱(图阶段的能力20.)。结果表明,SSFW-1和SSFW-2频繁地震条件下保持弹性,满足要求的建筑物的抗震设计的代码。

图21表明SSFW-1容量曲线和SSFW-2相交频谱罕见的地震条件下的需求,以及他们的十字路口位于光谱非线性阶段的能力。SSFW-1 SSFW-2可以抗拒的罕见的地震设防烈度区8在中国,和结构开始产生。图22的示意图是罕见的地震条件下塑性铰分布结构。塑料铰链主要出现在钢铁缝隙的墙壁,所有列保持弹性,塑性铰形成只有几个SSWF-1束,也没有形成塑性铰SSWF-2束。这一现象表明,可以使用钢缝墙不仅是antilateral力组件也是能量耗散组件减少框架在地震下的负担。

interstory角罕见的地震条件下的结构显示在图23。interstory漂移角SSFW-1和SSFW-2罕见的地震条件下小于1/50,满足要求的建筑物的抗震设计的代码。性能点,屋顶位移SSWF-1 SSWF-2 71.61毫米和71.38毫米,分别和相应的基本反应是697.62 kN和698.42 kN。两种结构的屋顶漂移角都小于1/50。总的来说,横向刚度和承载能力SSFW-1和SSFW-2几乎是相同的。然而,从塑性铰分布在罕见的地震条件下,SSFW-2的抗震性能优于SSFW-1。

5。结论

根据推覆分析的结果对一系列钢铁缝墙标本,狭缝的影响参数,如,,,和m钢缝壁进行的行为。估计方程的侧向承载力提出了考虑边缘加劲肋的作用。参考设计钢缝墙。基于钢的力学特性缝墙,一个简化的分析模型命名为“墙框架分析模型”。简化模型允许执行非线性动态和静态分析包含钢结构缝的墙。相关的参数配置和非线性行为定义的简化模型,模型的有效性也演示了使用两个标本。结果表明,荷载位移曲线得到的简化模型,壳单元模型和实验一致很好。简化模型能正确地预测轴承墙和框架的共同影响,必须占在设计。给出一个设计实例,分析过程钢frame-steel缝墙系统的使用提出了简化模型可以学到的设计师。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号。51178098,51178098),基础研究基金为中央大学和东南大学优秀青年教师项目(没有。2242014 r30005)和项目优先资助的学术计划江苏高等教育机构的发展,中国。这种金融支持。

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