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摘要：防屈曲钢板剪力墙作为新型抗侧力体系，具有优异的抗震性能，表现出较高的初始刚度和承载力、良好的耗能能力和稳定的滞回性能。但实际上，混凝土属于脆性材料，其抗拉强度较低，在较大地震下，混凝土层极易出现裂缝，甚至粉碎、剥落的情况，使得结构刚度骤然下降，也导致震害及震后修复难度较大。因而，研发出一种装配性能良好、安全可靠、抗震性能优越、震后易修复的新型装配式组合钢板剪力墙有着十分重要的意义。由于成本和时间的因素，试验研究并不能完全覆盖在实际工程中可能遇到的所有尺寸的剪力墙。所以本文所述的试验研究是通过有限元软件ABAQUS建立防屈曲钢板剪力墙的有限元模型进行数值模拟，改变不同参数，包括螺栓布局、螺栓孔径大小、螺栓直径、ECC混凝土板的厚度、钢板厚度来研究这些数值对防屈曲钢板剪力墙滞回曲线的影响，从而帮助改善螺栓与钢板剪力墙的连接方式及连接性能，增强其整体的抗震性能。
关键词：钢板剪力墙；防屈曲；连接性能；有限元研究；滞回曲线；参数分析
0前言
在目前超高层结构设计中流行的框剪及筒中筒体系自身存在着缺陷，即钢筋混凝土剪力墙或核芯筒与钢框架的延性及刚度严重不匹配。强震作用下,由于作为第1道抗震防线的钢筋混凝土剪力墙或核心筒承担了85%的水平地震力,很快因开裂、压碎而导致刚度及延性急剧退化,不利于后期地震能量的消耗。此外，混凝土剪力墙或核心筒承担了相当大的重力荷载，这进一步降低了混凝土的延性。在北美和日本等地震多发国家，钢框架加钢筋混凝土剪力墙或核心筒结构体系的应用是受到很大限制的。针对混凝土剪力墙延性及耗能不足的缺点,20世纪70年代发展起来了一种新型的抗侧力体系——钢板剪力墙。
钢板剪力墙作为一种优异的抗侧力构件，己广泛应用于当今社会的多高层建筑中。钢板剪力墙具有承载力高、耗能能力强、延性好等特点，能高效地提高建筑结构体系的抗震性能，在工程应用中有取代钢筋混凝土剪力墙的趋势，由于具
有可预制的有点，钢板剪力墙也在装配式建筑中得到应用。
按照出现的历史顺序，钢板墙可大致分为以下几大类：⑴非加劲厚钢板墙；⑵加劲钢板墙；⑶非加劲薄钢板墙；⑷两侧开缝钢板墙；⑸低屈服点钢板墙；⑹开洞钢板墙；⑺压型钢板墙；⑻竖缝钢板墙；⑼组合钢板墙；⑽防屈曲钢板墙；⑾两侧开缝组合钢板墙。
本文中对于钢板剪力墙的研究以崭新的角度，利用有限元软件ABAQUS建立防屈曲钢板剪力墙的有限元模型进行数值模拟，通过对螺栓布局、螺栓孔径大小、螺栓直径、ECC混凝土板的厚度、钢板厚度，这些参数的改变，得出它们对滞回曲线的具体影响，从而测试其连接性能并寻找到最佳的连接方式，达到提高装配式钢板剪力墙的抗震性能的效果。
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图1 3D构造图
1装配式钢板剪力墙试件设计
为简化装配式钢板剪力墙模型，本试验采用600mm×600mmECC混凝土板，钢板为660mm×660mm，钢板与两块ECC混凝土板由不同排列方式的螺栓连接，组成简化钢板剪力墙模型。通过分析，选取螺栓直径、开孔方式、钢板厚度、ECC混凝土板厚度、钢板孔径大小五个变量来讨论总结出抗侧力性能最优的装配式钢板剪力墙组合方式。其中，基准模型设置为直径16mm螺栓，间距200mm、2×2布局，钢板厚度3mm，ECC混凝土板厚度60mm。图1为基准模型3D构造图，表1为基准构件具体尺寸及材料。
表1 基准构件具体尺寸及材料
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2试验概况
为了讨论出装配式钢板剪力墙最优抗侧力性能模型，本试验选取5个改变参量，详见表2.
表2构件改变属性具体参数
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本试验加载方式分别为单调及滞回加载，首先固定钢板一端，然后在钢板另一端上进行耦合，在耦合点上施加50mm水平位移，然后使用液压伺服系统施加低周往复荷载，采用变幅值位移控制加载方式，以层间位移角来控制加载。本试验在钢板一端施加低周往复荷载，每一级荷载的位移幅值和循环次数见图2。循环荷载一共设置10级，前3级荷载中，每级荷载循环6次，第4级荷载循环4次，后面6级荷载均循环2次。
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图2加载制度
3有限元模型建立
装配式钢板剪力墙模型采用表1中实际尺寸建模，预制ECC混凝土板与内藏钢板接触面的法向施加“硬接触”，接触面的切向则施加摩擦系数大小为0.45的库伦摩擦；高强螺栓与ECC混凝土板接触面的法向施加“硬接触”，接触面的切向施加摩擦系数大小为0.05的库仑摩擦。该模型我们需要考虑螺栓预紧力，通过四个分析步来依次施加，首先在第一个分析步中对螺栓施加一个非常小的载荷，本试验施加10N。按照高强螺栓技术规程要求，10.9级的预拉力为110KN，所以在第二分析步中施加110KN的螺栓预紧力，第三第四分析步中均设置为“固定在当前长度”。
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4模型分析
目前现阶段研究了螺栓直径及钢板厚度的改变对钢板剪力墙模型抗侧力性能的影响。随着螺栓直径的增大，模型的抗侧力性能有一定的提高，装配式钢板剪力墙的耗能性能也得到了有效提高。螺栓直径的改变对模型初始刚度影响较小。当进入屈服阶段后，骨架曲线开始出现不同的变化趋势。增大螺栓的直径，模型的极限承载力明显提高。分别对采用不同内嵌钢板厚度的装配式钢板剪力墙有限元实体模型进行滞回加载后可知，采用4mm的内嵌钢板其墙板高厚比为较大，属于中厚板范畴，其滞回性能较薄板更加稳定；而采用3mm内嵌墙板的钢板剪力墙，其高厚比更接近于薄板范畴，因此滞回曲线出现一定的捏缩现象，因此4mm极限承载力明显高于3mm的构件，但滞回曲线在加载后期出现了不同程度的波动，分析可能是因为模型的精细化程度不够。内嵌钢板厚度对钢板剪力墙模型的抗侧能力有较大的影响，板厚较小时，模型的抗侧性能会出现明显的下降。
5结语
本试验现阶段研究了螺栓直径及钢板厚度对钢板剪力墙模型抗侧性能的影响，得出以下结论：（1）螺栓直径的增大会一定程度的提高钢板剪力墙结构的抗侧力性能及耗能性能；（2）钢板的高厚比越大，模型的抗侧性能越高。但由于模型的精细化不够以及现场试验步骤的缺失，数值模拟的结果可能会与现实稍有偏差，因此需要后续继续进行其他影响因素的数值模拟及现场试验步骤。
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郑州大学大学生创新创业训练计划资助项目。