20世纪80年代,加拿大学者Thorburn等最早对非加劲钢板剪力墙进行了深入研究[14],研究结果表明:平钢板剪力墙在受剪屈曲后具有一定的屈曲后强度,因此钢板剪力墙的极限承载力应大于屈曲时对应的承载力。平钢板剪力墙屈曲后强度是水平荷载作用时产生的斜向拉力带提供,在此基础上,Thorburn提出了非加劲薄钢板剪力墙的“等效拉杆模型”(Strip Model)。该模型忽略前期钢板墙的弹性屈曲承载力,靠加载中产生的斜向拉压应力场来抵抗外力,与钢板墙的受力情况较为吻合;并提出了相关的计算公式,为钢板剪力墙的力学性能分析提供理论依据。
1991年,Sabouri-Ghomi[15]等基于有限差分法对固定梁柱连接薄板剪力墙的动力响应进行了非线性分析。对钢板剪力墙的滞回特性进行分析,包括了腹板的剪切屈曲和塑性屈服,以及周围框架的塑性屈服对其滞回性能的影响。结果验证了弹性响应分析的正确性,并证明了滞回特性在周期动力荷载作用下抑制共振的有效性。
1998年,Elgaaly等[16]学者分别对1∶4和1∶3的薄钢板剪力墙进行了试验研究,并对试验结果进行了总结。他们建立了薄钢板剪力墙力学性能的解析模型,并给出了具体的计算模型,能够较好地描述钢板墙周围梁、柱以及焊接或螺栓连接等对墙体性能的影响。他们还对分析结果与实验结果进行了比较。
21世纪初,清华大学郭彦林等[17]学者对钢板剪力墙展开了一系列研究,在对防屈曲钢板剪力墙进行数值分析时,为了突出研究对象并使问题简化,采用了下述假定:框架梁、柱节点铰接,框架梁、柱的抗弯刚度无限大,忽略框架梁、柱的轴向变形的影响。研究结果表明:非加劲薄钢板剪力墙非线性主要体现在内嵌钢板首先屈曲,依靠拉力带发挥其屈曲后的强度,加劲钢板剪力墙屈曲形式分为整体屈曲、局部屈曲和相关屈曲3类。加劲钢板剪力墙有效地提高了钢板的抗侧刚度、承载力以及整体稳定性能,结构表现出较好的滞回性能。
根据现行规范JGJ/T 380-2015《钢板剪力墙技术规程》[18],将钢板剪力墙分为非加劲钢板剪力墙、加劲钢板剪力墙、防屈曲钢板剪力墙、钢板组合剪力墙及开缝钢板剪力墙等,其构造形式如图1.6所示。
图1.6 钢板剪力墙类型示意图
聂建国等[19]国内学者以天津津塔为研究背景,设计了2个2跨5层1∶5缩尺的钢板剪力墙试件并进行了低周循环加载试验。研究结论为:非加劲钢板剪力墙容易发生钢板面外屈曲,滞回曲线呈现出明显的捏拢现象,而加劲钢板剪力墙无面外屈曲现象,滞回曲线呈现出饱满的纺锤形,如图1.7所示。
图1.7 基于天津津塔的钢板剪力墙试验研究
2019年,于金光等[20]设计了3个单跨2层的平齐端板连接框架-钢板剪力墙,并对其进行了拟静力试验研究。研究了内嵌钢板形式分别为无加劲、纵横放置十字加劲和对角斜向放置十字加劲钢板墙的力学性能,其试件如图1.8所示。
图1.8 不同加劲肋样式的钢板剪力墙试验研究
波形钢板剪力墙是基于平钢板剪力墙发展起来的一种新型抗侧力构件,具有较高的平面外刚度以及整体稳定性。波形钢板剪力墙的提出,可以有效地解决平钢板平面外刚度较低等问题,提高结构的强度、刚度以及稳定性。
2005年,美国布法罗大学的Berman和Bruneau等[21]对波形钢板剪力墙进行了试验研究,波形钢板的波形沿板件的45°方向设置,如图1.9所示。研究结果表明:波形钢板可以有效地提高剪力墙的抗侧刚度、延性和其耗能能力以及整体稳定性能,滞回曲线有捏拢现象,并且拉压不对称。此外,波形钢板产生了局部屈曲和脆性破坏的现象。
图1.9 褶皱内嵌钢板剪力墙试件
2006年,西安建筑科技大学的郝际平、余安东、兰银娟等[22]对折板剪力墙的滞回性能等进行了相关研究。研究发现:折板剪力墙具有较大的初始刚度,屈服荷载和极限承载力较高,滞回曲线饱满,无捏拢现象,具有较好的延性和耗能能力。但当折板剪力墙达到其极限承载以后,由于塑性屈曲变形积累导致其承载力下降较快。
2013年,Emami等[23]学者进行了波形钢板剪力墙试验研究,如图1.10所示。研究发现:波形钢板剪力墙的极限强度略低于平钢板剪力墙,但其抗侧刚度、耗能和延性等滞回性能远远高于平钢板剪力墙。此外,通过一定的设计方法,可使波折钢板剪力墙能在预定位置屈服,通过塑性变形吸收地震能量。(www.daowen.com)
图1.10 竖向、横向波折钢板剪力墙试件
2017年,王威等[24-25]进行了波形钢板剪力墙的有限元分析,并于2018年,对波形钢板剪力墙的抗震性能进行了试验研究。研究结果表明:波形钢板剪力墙的抗侧刚度、平面外刚度、整体稳定性能、极限承载能力、延性等力学性能均优于平钢板剪力墙,波形腹板对于约束边缘构件的刚度要求较低[26]。其试件如图1.11所示。
平钢板剪力墙在我国实际工程中的应用包括1989年建成的上海新锦江饭店[27](43层,154 m),这是我国首栋采用钢板剪力墙的建筑结构;位于我国天津的天津津塔,目前是世界上应用钢板剪力墙的最高建筑[28](75层,336.9 m),如图1.12所示。
相对于钢筋混凝土剪力墙结构,平钢板剪力墙结构具有如下优点:①结构自重非常轻,可减小地震作用,适用于基础承载力不能提高的加固结构中。②占用建筑面积小,能提供更大的建筑使用空间。③钢板剪力墙本身只承受水平力作用,竖向力作用完全由周边的框架柱承担。钢板剪力墙结构完全符合第一道抗震防线是低轴压比的抗震设计要求,是非常理想的抗侧力构件。④钢板剪力墙屈曲后屈服(薄板)或屈服后屈曲(厚板)还能继续承受荷载,结构不仅使框架结构具有很好的延性,还能靠钢材本身的塑性发展提供阻尼耗能能力。钢板剪力墙结构能非常理想地满足三水准抗震、二阶段设计要求。⑤钢板剪力墙的设置可缓解对梁柱节点区的延性要求。
图1.11 波形钢板剪力墙试件
图1.12 钢板剪力墙结构——天津津塔
平钢板剪力墙尚存在以下不足:①钢板剪力墙在强烈地震的作用下,在钢板剪力墙的局部易形成应力集中,造成局部结构的破坏。②钢板剪力墙结构的抗火性能较差,不加保护的钢结构构件的耐火极限仅为10~20 min,很容易遭到破坏。③非加劲薄钢板剪力墙在正常使用极限状态下容易发生整体弹性屈曲,产生平面外变形,对于建筑的功能性和居民的舒适性会产生一定的影响。
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