交叉加劲不锈钢钢板剪力墙抗震性能研究

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不锈钢作为一种新型建筑材料,具有耐腐蚀、延性好、外形美观和全寿命周期成本低等优点,应用前景十分广阔。钢板剪力墙作为一种新型抗侧力结构体系,具有耗能性能优异、自重较轻、结构布置灵活和便于装配式施工等优点,具有良好的发展前景。随着国内外相关研究的不断深入,不锈钢材料已广泛应用到建筑结构中。然而,目前国内外关于不锈钢结构的研究主要集中在静力性能方面,在抗震性能方面的研究较少,且不锈钢钢板剪力墙的相关研究尚属空白。已有研究表明:不锈钢材料除了拥有优异的耐久性外,还具有较强的非线性、较高的延性和良好的滞回耗能性能,很适合作为建筑结构中的抗震耗能构件。基于上述背景,本文以交叉加劲不锈钢钢板剪力墙为主要研究对象,开展了低周反复荷载下试验研究、数值模拟和参数化分析,并提出了交叉加劲不锈钢钢板剪力墙的恢复力模型和简化设计方法。通过开展单调荷载下奥氏体S30408不锈钢、Q235钢和LY100低屈服点钢的材料力学性能试验,分别获取了各材料的应力-应变曲线和各项力学性能指标,包括初始弹性模量、名义屈服强度、极限抗拉强度和断后伸长率等。试验结果表明:(1)不锈钢和低屈服点钢均具有较好的延性;(2)Rasmussen提出的两阶段材料应力-应变曲线与奥氏体S30408不锈钢材料力学性能试验结果吻合较好。通过开展循环荷载下不锈钢的材料力学性能试验,获得不锈钢的循环本构模型;循环试验结果表明:奥氏体S30408不锈钢具有良好的耗能能力,其滞回行为综合了各向同性强化及随动强化两者的特征。在材料力学性能试验的基础之上,本文利用四连杆加载装置开展了8榀钢板剪力墙的低周反复荷载试验,获取各榀钢板剪力墙的滞回曲线、骨架曲线、延性系数和等效粘滞阻尼比ζ-位移角θ曲线,揭示了钢板剪力墙的力学性能、耗能特性及破坏机理。试验结果表明:(1)在加载的过程中,各试件均经历了从弹性工作状态到弹塑性耗能状态的转换;(2)不锈钢试件的延性较好,屈曲后形成了有效的拉力带,即使位移角已经超过1/50,依然具有良好的承载力;(3)低屈服点钢试件和普通钢试件在加载后期出现角部撕裂现象,导致未能有效地形成可靠的拉力带,在加载后期试件承载力均出现了明显的下降,试件的延性较差;(4)不锈钢试件和低屈服点钢试件能够较早地进入屈服状态,因此其耗能性能均优于普通钢试件。利用有限元分析软件ABAQUS建立钢板剪力墙试验试件的精确模型,并进行数值模拟分析,获取了各试件的滞回曲线、骨架曲线和等效粘滞阻尼比ζ-位移角θ曲线。将有限元计算结果与试验结果进行对比,验证了有限元模型的准确性。分析结果表明:(1)当采用单调荷载下材料本构模型构建有限元分析模型时,各试件骨架曲线的有限元结果与试验结果较接近,但等效粘滞阻尼比ζ有限元结果大于试验结果,滞回路径的两种结果也有一定的区别;(2)当采用循环荷载下材料本构模型构建有限元分析模型时,各试件的滞回曲线形状、滞回路径和耗能性能的有限元结果与试验结果十分接近。因此,在本文后续的钢板剪力墙滞回性能参数化分析中,采用循环荷载下材料本构模型构建的有限元分析模型进行数值模拟。基于验证后的精确模型建立交叉加劲不锈钢钢板剪力墙的简化有限元模型,验证了简化模型的精确性,并对其弹性屈曲性能开展参数化分析。着重考察了宽高比α、高厚比λ、边缘加劲肋肋板刚度比ηf及交叉加劲肋肋板刚度比ηs对钢板剪力墙弹性屈曲应力的影响。分析结果表明:(1)钢板剪力墙弹性屈曲临界应力τcr随着宽高比α的增大而降低,随着高厚比λ的增大而降低,随着交叉加劲肋肋板刚度比ηs的增大而增大;(2)当边缘加劲肋肋板刚度比ηf<5时,其对钢板剪力墙弹性屈曲临界应力τcr的影响十分显著,τcr随着ηf的增大而增大;(3)当边缘加劲肋肋板刚度比ηf≥5时,其对钢板剪力墙弹性屈曲临界应力τcr的影响可以忽略;(4)通过多参数耦合分析,提出了适用于两边连接交叉加劲不锈钢钢板剪力墙弹性屈曲临界应力τcr的简化计算公式。同时,基于试验结果和弹性屈曲性能参数化分析结果,本文继续开展了交叉加劲不锈钢钢板剪力墙滞回性能的参数化分析。着重考察宽高比α、高厚比λ、边缘加劲肋肋板刚度比ηf及交叉加劲肋肋板刚度比ηs对不锈钢钢板剪力墙滞回性能的影响。分析结果表明:(1)随着宽高比α的增大,钢板剪力墙滞回曲线的“捏缩”现象越来越明显,耗能能力随之减弱,但钢板剪力墙的承载力增大;(2)随着高厚比λ的增大,钢板剪力墙滞回曲线的“捏缩”现象越来越明显,耗能能力随之减弱,钢板剪力墙的承载力减小;(3)当边缘加劲肋肋板刚度比ηf<30时,ηf值对钢板剪力墙滞回性能的影响非常显著,钢板剪力墙的承载力和耗能性能随着ηf值的增大而提高;当边缘加劲肋肋板刚度比ηf≥30时,ηs值对钢板剪力墙滞回性能的影响不显著;(4)当交叉加劲肋肋板刚度比ηs<30时,ηs值对钢板剪力墙滞回性能的影响非常显著,钢板剪力墙的承载力和耗能性随着ηs值的增大而提高;当交叉加劲肋肋板刚度比ηs≥30时,ηs值对钢板剪力墙滞回性能的影响不显著;(5)高厚比λ对钢板剪力墙滞回性能的影响程度比宽高比α对钢板剪力墙滞回性能的影响程度要大。在交叉加劲不锈钢钢板剪力墙的理论分析、试验研究和参数化分析的基础之上,本文提出了交叉加劲不锈钢钢板剪力墙的恢复力模型,此模型为一种带有指向性的“三折线”模型;模型适用范围为:高厚比100≤λ≤600,宽高比0.5≤α≤2.0,交叉加劲肋肋板刚度比30≤ηs≤60,边缘加劲肋肋板刚度比ηf≥max{30,ηs}。最后,本文给出了工程设计时便于采用的不锈钢钢板剪力墙恢复力简化模型和简化设计方法;并通过SAP2000简化模型计算结果和ABAQUS有限元板壳模型计算结果的对比分析,验证了简化模型的准确性。
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