波纹钢板剪力墙简化模型分析.pdf 8页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#波纹钢板剪力墙简化模型分析1,2111,2**赵秋红，邱静，李楠，韩庆华（1.天津大学建筑工程学院，天津，300350；52.天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津，300350）摘要：钢板剪力墙在工程中的应用越来越广泛。在工程设计中，由于构件数量较大，采用复杂的精细有限元建模将使结构模型过于庞大，计算效率及工作效率降低。本文利用ANSYS有限元分析软件，针对传统平钢板剪力墙的两种常用简化分析模型——各向异性板模型和斜10拉杆模型，通过与精细有限元模型结果进行对比，对该两种简化模型对于新型波纹钢板剪力墙的适用性进行了研究。结果显示，各向异性板模型可以较准确的模拟结构屈曲前的刚度特性，而斜拉杆模型对结构的模拟功能并不准确，因此波纹钢板剪力墙的简化分析模型不能直接利用平钢板剪力墙常用的简化分析模型，尚需进行进一步的探究。关键词：结构工程；波纹钢板剪力墙；简化分析模型。15中图分类号：TU391Simplifiedmodelanalysisofcorrugatedsteelplateshearwalls1,2111,2ZhaoQiuhong,QiuJing,LiNan,HanQinghua20(1.SchoolofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin,300350;2.KeyLaboratoryofCoastCivilStructureSafetyofChinaMinistryofEducation,TianjinUniversity,Tianjin,300350)Abstract:Steelplateshearwallswasanewtypeoflateralresistantsystemwhichismainlyusedinhigh-risebuildings.Thenumberofcomponentsalwaysverylargeinengineeringdesign,sothedetailed25finiteelementmodelingofcomplexstructurewillmakethemodeltoolarge,thereforethecalculationefficiencywouldbedecreasedremarkably.Inthispaper,thefiniteelementanalysissoftwareANSYSwasused,accordingtothetwokindsofsimplifiedmodelforconventionalflatsteelplateshearwall:anisotropicplatemodelandstripmodel,bycomparingthesimplifiedmodelwiththedetailedfiniteelementmodels,theapplicabilityofthetwosimplifiedmodelsforthecorrugatedsteelplateshearwall30isstudied.Theresultsshowthatanisotropicplatemodelcanaccuratelystimulatethecharacteristicofstiffnessbeforebucklingofthestructure,whilethesimulationofthestripmodelisnotaccurateenough.Therefore,thetypicalsimplifiedanalysismodelofflatsteelplateshearwallscan’tdirectlybeusedforthecorrugatedsteelplateshearwallsandfurtherexplorationoftheaccurateandreasonablesimplifiedmodelisneededforfutureresearch35Keywords:Structuralengineering;Corrugatedsteelplateshearwall;Simplifiedanalysismodel0引言钢板剪力墙结构是20世纪70年代发展起来的一种新型抗侧力结构体系，主要构件包括40边缘构件和内嵌钢板。与传统的混凝土剪力墙或钢框架及钢框架支撑结构相比，钢板剪力墙结构具有刚度大、延性好、鲁棒性好、自重轻、建造速度快等优点。已有的研究成果以及工程实例表明，钢板剪力墙是一种非常具有发展潜力的抗侧力体系，尤其适用于高烈度地震设[1]防区的高层建筑以及抗震加固。钢板剪力墙抵抗侧向荷载的工作原理类似于底端嵌固的悬基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20130032120055）；高等学校博士学科点专项科研基金（20130032110044）；国家自然科学基金面上项目（51378340）作者简介：赵秋红（1975-），女，教授，博导，主要研究方向：钢结构、组合结构抗震、钢桥抗震通信联系人：韩庆华（1971-），男，教授，博导，主要研究方向：大跨空间结构.E-mail:qhhan@tju.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn臂梁，且主要通过内嵌钢板屈曲后形成的拉力场承担剪力。在对该种结构的分析和设计过程45中，精细分析模型耗费较多计算时间，而且部分结构设计软件无法分析内嵌钢板的屈曲后工作情况。因此，自20世纪80年代起各国学者相继提出计算快、结构简单的简化分析模型用[2]以辅助钢板剪力墙的分析和设计，目前研究较为成熟的普通钢板剪力墙的简化分析模型为[3-5]斜拉杆模型，已被多国设计规范和规程所采用的。波纹钢板剪力墙是近几年提出的新型钢板剪力墙，用波纹钢板代替传统的平钢板作为钢板剪力墙的内嵌板。波纹钢板的几何波折50构造可以提高波纹钢板剪力墙的面外稳定性，有效抑制或减缓钢板在荷载作用下的面外屈曲[6]。同时，波纹钢板的特殊波折构造，使其在顺波纹方向（波的传播方向）具有较小的抗压刚度，从而使波纹横向布置的钢板剪力墙体系中内嵌墙板有效规避重力荷载的影响，使大部分重力荷载由框架柱承担，避免重力荷载对墙板抗剪承载力和面外稳定性的折减。目前针对波纹钢板剪力墙简化分析模型的研究很少，且由于波纹钢板受力性能类似于加劲肋均匀布置55的单向加劲钢板剪力墙，因此本文依据已有研究中传统平钢板剪力墙常用的斜拉杆简化模型以及加密肋加劲钢板剪力墙板分析所用的各向异性板简化模型对波纹钢板剪力墙进行分析研究，通过简化分析模型与精细有限元分析模型结果对比，针对该两种简化模型在波纹钢板剪力墙的分析设计中的适用性进行了探讨。1非线性有限元建模60本文利用ANSYS通用有限元分析软件对单层单跨的波纹钢板剪力墙分别进行了精细有限元模型、斜拉杆简化模型以及各向异性简化模型的建模分析，并将精细有限元模型分析结果与两种简化模型分析结果进行了对比，同时考虑波纹钢板剪力墙实际工程中常用尺寸，探究了该两种简化分析模型的有效性和适用性。1.1精细有限元模型建模65利用ANSYS建立单层单跨的带边缘框架的横向波纹钢板剪力墙精细模型，边缘框架梁、[7]柱使用solid185实体单元，内嵌波纹钢板使用shell181壳单元。结构材料取为Q345B钢材，5其弹性模量E=2.06×10MPa，泊松比ν=0.3，在除弹性屈曲分析之外的分析中，材料本构采用经典双线性等向强化材料模型，忽略材料的塑性强化。精细模型中需要考虑结构材料非线性和几何非线性，且由于波纹钢板对于初始缺陷敏感[8]70性较高，因此精细模型中采用将波纹钢板剪力墙一阶弹性屈曲变形施加于非线性推覆分析模型的方法施加初始缺陷。为了将结构所受侧向力传递到波纹钢板上，将波纹钢板四周与周边框架接触的节点通过耦合单向平动自由度实现铰接（与上下梁连接处耦合节点水平方向位移，与左右柱连接处耦合节点竖直方向位移），且波纹钢板四周与周边框架接触的节点约束其平面外位移。为模拟实际工程中钢板剪力墙体系中梁柱连接状态，梁柱节点采用刚接。为75防止结构发生刚体位移，将左右柱下端固结，且未避免应力集中现象，荷载采用梁端面荷载形式施加，精细有限模型如图1所示。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图1精细有限元模型Fig.1Detailedfiniteelementmodel801.2各向异性板简化模型建模[9]根据文献，前述精细模型中的波纹钢板简化后的等效各向异性平板的弹性矩阵为：EEμ0xxyxxx1[]DEE=⋅μ0（1）xyyyyy1−μμxyyx001()−μμxyyxGeff式中，Exx、Eyy分别为局部坐标x、y轴的等效弹性模量；μxy、μyx分别为x、y向的泊松比；Geff为等效剪切模量。85将波纹板等效为各向异性板，各弹性常数计算如下：3"()22abt+I=（2）x122td222222Iax=+b+d()22a+b−()b+d（3）()22ab+3IxEE=（4）xx"IxLEE=（5）yy222()ab+90μ=μ（6）xyEμyyxyμ=（7）yxExxdGG=（8）effdau11.154+Lt式中，L、H分别为墙板宽度、高度；t为波纹钢板厚度；a、b、d、u为别为波纹钢板平段宽、斜段宽、波高、单波展开宽度。95根据上述计算方法得出的各向异性板模型所需弹性常数，利用ANSYS建立各向异性板简化分析模型。为保证各向异形板模型与精细模型具有近似性能，因此不改变周边框架的建模形式和结构整体的约束条件及荷载条件，只将按前述方式导算出的内嵌板材料系数定义到模型中，最终建立各向异形板简化模型如图2所示。-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn100图2各向异性板简化模型Fig.2Anisotropicplatemodel1.3斜拉杆简化模型建模广泛应用于平钢板剪力墙分析计算的斜拉杆模型可以很好的模拟内嵌板屈曲后形成的拉力带作用现象。为得到简化分析模型更加精确的解，在将内嵌波纹钢板等效成一系列拉杆[10]105的同时，不改变周边框架的单元类型和构造形式。根据文献，假设拉杆倾角为θ为45°，并取斜拉杆数量n为10，拉杆间距计算公式如下：LHsinθθ+coss=（9）n斜拉杆的截面积按照其等代的部分波纹钢板的截面积确定。斜拉杆与周边框架的连接采用铰接形式，通过耦合重合节点平动自由度实现。与精细模型不同的地方是斜拉杆简化模型110的梁柱节点采用铰接形式，该铰接亦通过耦合重合节点平动自由度实现。材料模型、边界条件以及加载方式与前述精细有限模型一致，最终建立斜拉杆简化模型如图3所示。图3斜拉杆简化模型Fig.3Stripmodel1152精细有限元模型性能研究为在精细模型中施加初始缺陷，对波纹钢板剪力墙精细模型进行弹性屈曲分析。为研究当板高H和板宽L对内嵌压型钢板的弹性剪切屈曲模态及屈曲荷载的影响，取工程常用尺寸范围（板高变化范围：1600~3200mm；板宽变化范围：2000~4000mm）进行参数分析。随着波纹钢板高度H、宽度L的变化，从弹性屈曲模态可知，在所研究范围内的各波纹120钢板剪力墙模型均发生的是整体屈曲，其鼓曲变形有倾向于波纹肋方向的趋势，并且也会有发展形成拉力带的趋势，但是由于其特殊的截面形状，这种拉力带发展得并不完全。当板高较小或板宽较大时，即墙板跨高比较大时，内嵌波纹板屈曲模态为对称两阶屈曲波形；而当板高较大或板宽较小时，即墙板跨高比较小时，内嵌波纹板屈曲模态为三阶或四阶等更为高阶的屈曲波形。两参数相比之下，相比由改变波纹钢板宽度L引起的跨高比变化，由改变波125纹钢板高度H引起的跨高比变化对内嵌波纹板的屈曲波形阶数改变更为明显。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn随着内嵌波纹板板高H和板高L在常见尺寸范围内变化，波纹钢板剪力墙的弹性剪切屈曲荷载的变化如图4所示。当板宽L=3000mm时，板高H由1600mm增加到2000mm过程中，结构的弹性剪切屈曲特征值由1441.68KN骤减到1234.68KN。在随后的H增加阶段，结构的弹性剪切屈曲特征值也随之不断下降。因此，压型钢板剪力墙的层高对于其本身的弹130性剪切屈曲有重要的影响作用，通过调整压型钢板的高度，可以有效控制结构弹性剪切屈曲特征值的大小。当板高H=2800mm时，在板宽L增加过程中，结构的弹性剪切屈曲特征值呈指数形式下降。与上述变化板高的特征值曲线相比，可以得出结构的弹性剪切屈曲特征值与内嵌板的板高H和板宽L都有相当大关系，且对板宽L更加敏感的结论。另外，如果假设波纹钢板尺寸继续大幅增加到其波纹可相对忽略不计时，形成的平钢板剪力墙的弹性剪切135屈曲特征值会远远低于上述计算结果，与上述两结论一致。图4弹性屈曲荷载随内嵌板高、板宽变化曲线Fig.4Curvesofelasticbucklingloadwiththeheight&widthoftheinfillpanel3各向异性板简化模型性能研究140由于该种简化模型中对波纹钢板剪力墙进行的等效刚度折算公式是在其弹性矩阵的基础上计算所得，因此对于结构的性能验证也不能包括结构屈曲的影响。因此在研究之初首先对结构进行了弹性剪切屈曲特征值分析，得出屈曲荷载。之后对于该模型的进一步研究中，施加小于弹性剪切屈曲临界值的荷载以便考察模型在弹性工作状态下的荷载-位移曲线与精细模型的计算结果的偏差。145根据上述方法，确定在施加荷载处施加最大共计300kN的荷载，可以满足绘制荷载-位移曲线的需要，并且不会使结构发生屈曲。以便与精细模型进行对比，将300kN的荷载分为10个荷载子步施加，每次计算结果均进行两种模型的比较。具体比较结果见表1，即板宽L=3000mm，板高H=2800mm时的计算结果。表1荷载-顶部侧移计算结果（精细模型v.s.各向异性板模型）150Tab.1Load-toplateraldisplacementdatas(detailedmodelv.s.anisotropicplatemodel)精细模型顶部侧移各向异性板模型顶部侧移侧向荷载/kN误差/mm误差百分比/mm/mm3001.5001.3620.1389.2%2701.3501.2260.1249.2%2401.2001.0910.1099.1%2101.0500.9550.0959.0%1800.9000.8190.0819.0%1500.7500.6820.0689.1%-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1200.6000.5460.0549.0%900.4500.4100.0408.9%600.3000.2730.0279.0%300.1500.1370.0138.7%根据表1中的数据，可以判断两种模型在荷载不断增加到300KN的过程中一直保持弹性工作状态。由两种模型的顶部侧移值比较可以发现各向异性板模型的初始刚度略小于精细模型。侧向荷载作用后的顶部侧移值误差占精细模型计算结果的9%左右。通过上表还可以155发现随着荷载的不断增大，误差百分比有增大的趋势。在上述计算条件下，误差百分比最终上浮了0.5%，基本可以忽略不计。因此，各向异性板简化模型的分析结果证明：不论是在绝对偏差、相对偏差还是稳定性方面，该模型都具有比较好的工作性能，可以作为精细模型在屈曲前工作状态下的刚度分析简化模型。在各向异性板各参数的计算过程中没有涉及板高参数，因此需要讨论板高变化时，该简160化模型是否均能较为精确的模拟结构初始刚度。当板高H在常用尺寸1600mm-3200mm范围内变化时，模型在荷载增加到300kN的过程中均能保持弹性工作状态，因此将各向异性板简化模型在300kN时的顶部侧移结果与精细模型结果进行对比，具体比较结果见表2。由表中结果可知，各向异性简化模型弹性阶段的顶部侧移绝对误差可以控制在0.3mm以内，相对误差控制在6.7%~17.2%范围内。随着板高的不断增加，各向异性板模型的计算结果精165度没有规律性的变化，仅出现一定的上下波动。该现象有可能是由于有限元分析软件的计算误差所致，由于该误差只在较小范围内波动，因此不会影响该模型的整体计算精度。另外，本文中还考虑了外框架与内嵌板共同工作的情况，而非仅计算内嵌板单独受力变形的工作情况，从而具有更强科学性和实用性。侧向荷载作用后的顶部侧移值误差占精细模型计算结果的10%左右。不论是在绝对偏差、相对偏差还是稳定性方面，该模型都具有比较好的工作170性能，可以作为精细模型在屈曲前工作状态下的刚度分析简化模型。表2模型顶部侧移对比（精细模型v.s.各向异性板模型）Tab.2Toplateraldisplacementcomparison(detailedmodelv.s.anisotropicplatemodel)精细模型顶部侧移各向异性板模型顶部侧移板高/mm侧向荷载/kN误差/mm误差百分比/mm/mm16000.6230.5450.07812.5%20000.9870.8190.16817.0%24001.2003001.1150.0857.1%28001.5001.3620.1389.2%32002.0491.7710.27813.6%4斜拉杆简化模型性能研究在传统平钢板剪力墙的研究中，斜拉杆简化模型对于承载力的模拟效果较好，本文通过175比较斜拉杆简化模型与精细模型在相同侧向荷载作用下的顶部侧移曲线，验证斜拉杆简化模型是否可以用作波纹钢板剪力墙的简化分析模型。另外，针对工程实践中较为常见的各种尺寸波纹板，通过改变波纹板的相关参数，找到其对波纹钢板剪力墙性能的影响规律，并将精细有限元模型弹塑性推覆分析结果与斜拉杆简化模型的计算结果进行对比分析。-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn4.1墙板宽度的影响180在波纹钢板剪力墙其他参数不变的前提下，改变板宽L的取值，建立简化模型，得出宽高比对结构承载力的影响。板宽L分别取3300mm、2400mm和1500mm，分别得出荷载-位移曲线加以分析。两种模型计算结果对比，如图5所示。(a)(b)(c)185图5不同板宽时荷载-位移曲线对比：(a)L=3300mm,(b)L=2400mm,(c)L=1500mmFig.5Load-displacementcurvescomparisonwithdifferentpanelwidth由图5中结果可知，斜拉杆简化模型的初始刚度都会不同程度的低于精细模型的计算值。这种误差会随着宽高比的减小而减小。从图中“参考曲线”（亦即精细模型结果）的形状，可以发现波纹钢板剪力墙由于其内嵌板特殊的几何形状而具有相当大的刚度。斜拉杆简化模190型难以模拟其屈曲前的这种刚度特性，同时由于该简化模型主要模拟的是内嵌钢板屈曲后形成的斜向拉力带，而当波纹内嵌钢板发生弹性剪切屈曲后，会迅速损失承载力，无法像平板一样形成较完整的拉力带发展其屈曲后强度和延性，继续承载。这种特性可以从“参考曲线”末尾段的下降趋势看出，而斜拉杆模型会由于拉杆不断拉伸屈服变形而使荷载-位移曲线出现刚度逐渐下降从而趋于平段的趋势。斜拉杆简化模型对于波纹钢板剪力墙的模拟首先会遇195到的问题是初始刚度的误差较大，甚至可以超过100%。其次，波纹钢板剪力墙在发生屈曲后承载力会出现下降，而斜拉杆简化模型的结果曲线斜率不断减小，直到趋于水平，无法模拟精细模型中承载力在内嵌波纹钢板在屈曲后出现的承载力下降。4.2墙板厚度的影响在波纹钢板剪力墙其他参数不变的前提下，改变板厚t的取值，建立简化模型，得出高200厚比对结构承载力的影响。板厚t分别取4mm、3mm和2mm，分别得出荷载-位移曲线加以分析。两种模型计算结果对比，如图6所示。(a)(b)(c)图6不同板厚时荷载-位移曲线对比：(a)t=4mm,(b)t=3mm,(c)t=2mm205Fig.6Load-displacementcurvescomparisonwithdifferentpanelthickness从图6中曲线可知，板厚t的变化对于简化模型的计算结果精度影响不大。随着板厚t的减小，斜拉杆简化模型计算结果的误差会不断减小。这是由于板厚t较小时，波纹钢板由于截面波折引起的高弹性刚度特点会逐渐削弱，波折板的整体特性也越加类似于平钢板的性能。由单次分析结果可知斜拉杆简化模型可以近似模拟结构受力，材料屈服变形的情况。但-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn210是，计算误差较大，尤其是板厚t较大，引起结构刚度骤增时的情况。由图7可知，斜拉杆模型计算出的三种内嵌板厚度的波纹钢板剪力墙刚度随厚度增长而增大，但是当板厚增加到一定程度，剪力墙的刚度增长也会减缓。图7不同板厚时拉杆简化模型荷载-位移曲线215Fig.7Load-displacementcurvesofstripmodelswithdifferentpanelthickness5结论随着钢板剪力墙在工程中的应用愈加广泛，使用有限元软件对其进行精确模拟计算尤为重要。但是在针对实际工程中钢板剪力墙系统进行精细建模计算的工程中，经常会遇到建模费时费力、求解不收敛的问题。本文通过将已有研究中传统平钢板剪力墙的简化模型：各向220异性板简化模型和斜拉杆简化模型分析结果与精细有限元模型结果进行对比，为该两种简化模型对于波纹钢板剪力墙的适用性进行了探究，可以得到如下结论：（1）各向异性板简化模型可以较为精确且偏安全的模拟波纹钢板剪力墙弹性剪切屈曲之前的刚度，且内嵌板的板高变化不会影响简化模型的模拟。在考虑周边框架共同作用的情况下，通过等效刚度的方法建立的波纹钢板剪力墙简化模型可以满足内嵌板屈曲前的刚度模拟工作。（2）斜拉杆简化225模型使用一系列拉杆模拟内嵌板屈曲后的拉力带，忽略了内嵌板弹性剪切屈曲前的抗压作用，着重模拟的是拉力带承载的过程。由于波纹钢板屈曲前刚度较大的特性以及屈曲后承载力骤减的特性，斜拉杆模型均无法有效模拟，因此斜拉杆模型对于波纹钢板剪力墙的模拟误差在屈曲前后均比较大，因此虽然斜拉杆模型对于传统平钢板剪力墙模拟效果较好，但并不能直接用于波纹钢板剪力墙的简化模拟。230[参考文献](References)[1]Astaneh-AslA.Seismicbehavioranddesignofsteelplateshearwalls[R].Moraga:Structuralsteeleducationalcouncil,SteelTIPSReport,2001[2]郭彦林,周明.非加劲钢板剪力墙结构分析等代模型研究[J].工程力学,2011,28(4):63-75.[3]CanadianStandardsAssociation(CSA),CAN/CSAS16-2009.Limitstatesdesignofsteelstructures[S].2009.235[4]AmericanInstituteofSteelConstruction(AISC),ANSI/AISC341-2010.Seismicprovisionsforstructuralsteelbuildings[S].2010.[5]哈尔滨工业大学,JGJ/T380-2015.钢板剪力墙技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2015.[6]赵秋红,李楠,孙军浩.波纹钢板剪力墙结构的抗侧性能分析[J].天津大学学报,2016,49(s1):152-160.[7]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.240[8]聂建国,朱力,唐亮.波形钢腹板的抗剪强度[J].土木工程学报,2013,(6):97-109.[9]兰银娟.折板钢板剪力墙抗侧力结构理论研究[D].西安:西安建筑科技大学,2006[10]邵建华,顾强,申永康.基于等效拉杆模型的钢板剪力墙有限元分析[J].武汉理工大学学报,2008,30(1):75-78.-8-'