為尋求適用于自復(fù)位結(jié)構(gòu)且具有顯著捏縮滯回特征抗側(cè)力部件,對單向斜槽鋼板剪力墻(steel plate shear wall with inclined slots,IS-SPSW)、雙向IS-SPSW及傳統(tǒng)薄鋼板剪力墻(traditional thin steel plate shear wall,TT-SPSW)的滯回性能進行了研究。分析了剪力墻板高厚比、跨高比參數(shù)對IS-SPSW滯回性能、水平承載力、抗側(cè)剛度、耗能能力的影響,對比了雙向IS-SPSW與TT-SPSW滯回性能的差異。分析結(jié)果表明,隨剪力墻板高厚比的增加,單向IS-SPSW的水平承載力、抗側(cè)剛度、耗能能力呈降低趨勢。剪力墻板跨高比對單向IS-SPSW的水平承載力影響較大,對其滯回曲線、抗側(cè)剛度及耗能能力幾乎無影響。與TT-SPSW相比,對稱布置的雙向IS-SPSW具有顯著捏縮的滯回特征和較高的水平承載力,非常適合作為自復(fù)位結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件,可降低對復(fù)位部件用量的需求。

鋼板剪力墻(steel plate shear wall，SPSW)具有抗剪承載力較高、滯回性能穩(wěn)定、變形能力良好等優(yōu)點，常作為主要抗側(cè)力部件應(yīng)用在鋼框架結(jié)構(gòu)中，形成具有雙道抗震防線的抗彎鋼框架-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)。在早期的研究中，為防止鋼板剪力墻屈曲，減輕對周邊鋼柱的能力需求，通常會增設(shè)十字加勁肋或斜向加勁肋。近年來，一些學(xué)者對非加勁的薄鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的研究。盡管非加勁肋薄鋼板剪力墻具有較高的水平承載力和良好的變形能力，但拉力場的存在導(dǎo)致對周邊鋼柱能力需求過大。薄鋼板剪力墻在水平剪力作用下極易屈曲，導(dǎo)致剪力墻板的滯回曲線具有明顯的捏縮特征。一些學(xué)者通過在剪力墻板上開設(shè)豎縫或孔洞來削弱拉力場對邊柱的不利影響，但墻板開洞降低了鋼板剪力墻的水平承載力和抗側(cè)剛度。為抑制剪力墻板的平面外屈曲，除對剪力墻板設(shè)置加勁肋外，還可在剪力墻板兩側(cè)設(shè)置現(xiàn)澆或預(yù)制混凝土墻板，形成防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，提高其耗能能力。JIN等、薛子蓬等提出了防屈曲開斜槽鋼板剪力墻，通過在設(shè)有斜槽的鋼板剪力墻兩側(cè)設(shè)置預(yù)制混凝土板或?qū)�兩片斜槽鋼板通過橡膠黏結(jié)，抑制斜槽鋼板剪力墻的平面外屈曲，提高其水平承載力和耗能能力。目前，一些學(xué)者嘗試開展自復(fù)位鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的研究工作，通過薄鋼板剪力墻提供水平承載力，利用節(jié)點區(qū)域設(shè)置的預(yù)應(yīng)力鋼棒實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的震后復(fù)位功能。盡管過薄的鋼板剪力墻滯回曲線顯著捏縮，但較小的水平荷載(如風(fēng)荷載)會導(dǎo)致其平面外屈曲，產(chǎn)生較大噪聲，影響建筑物的使用舒適度。

單向斜槽鋼板剪力墻(steel plate shear wall with inclined slots，IS-SPSW)在不抑制墻板平面外屈曲的情況下，可減輕或消除部分壓力場的貢獻，獲得尤為捏縮的滯回曲線，可通過采用厚板消除正常使用狀態(tài)下的噪聲問題。將斜槽鋼板剪力墻應(yīng)用在自復(fù)位結(jié)構(gòu)中，既可提高其水平承載力和抗側(cè)剛度，還可顯著降低自復(fù)位部件的用量�；�于此，本文重點研究了具有一定厚度的單向斜槽鋼板剪力墻的滯回性能，分析了剪力墻板高厚比λ、跨高比β等因素對單向斜槽鋼板剪力墻滯回性能的影響，期望獲得更為捏縮的滯回特征。通過布置雙向斜槽剪力墻板，實現(xiàn)了具有對稱性的滯回特征，并同傳統(tǒng)薄鋼板剪力墻的滯回性能進行了對比分析，研究結(jié)果可為開發(fā)新型的自復(fù)位鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)提供參考。

01

有限元模型驗證及單向IS-SPSW基準(zhǔn)試件設(shè)計

1.1 試驗驗證

由于尚未開展斜槽鋼板剪力墻的試驗研究，因此本文選取DAVID所完成的單層、單跨梁柱鉸接的薄鋼板剪力墻試件(T#1-16)進行驗證。通過對其進行數(shù)值分析，驗證有限元模擬技術(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性。試件T#1-16的試驗加載裝置及幾何尺寸如圖1所示。

圖1 試件T#1-16的幾何尺寸(單位：mm)

Fig.1 Dimension of specimen T#1-16（Unit：mm）

試件T#1-16的層高、跨度均為711.2mm，剪力墻板厚度tw=1.47mm，高厚比λ=480。頂梁及邊柱截面為W6×25，底梁截面為W8×25。為消除框架對剪力墻板的影響，鋼梁與鋼柱之間采用鉸接節(jié)點。剪力墻板的屈服強度fy=388MPa，抗拉強度fu=450MPa，彈性模量E=2.06×10∧5MPa。

采用ANSYS程序建立了試件T#1-16的精細化有限元模型（圖2）。其中，周邊鋼梁、鋼柱、銷軸均采用Solid185實體單元模擬，銷軸與板件之間通過接觸模擬，目標(biāo)面采用Target170單元，接觸面采用Contact174單元。剪力墻板采用Shell181殼單元模擬。采用Von Mises屈服準(zhǔn)則及多線性隨動強化模型考慮鋼材的包辛格效應(yīng)。通過引入剪力墻板一階屈曲模態(tài)作為初始缺陷，缺陷幅值取剪力墻板跨度的1/1,000。通過對底梁下表面所有節(jié)點Ux、Uy、Uz進行約束，用于模擬試件T#1-16底部的固接方式，同時對周邊梁柱平面外位移Uz進行了約束。通過對加載裝置頂梁上表面所有節(jié)點進行Ux方向耦合，并將位移施加于耦合點，其加載制度與試驗相同。

1.2 單向IS-SPSW基準(zhǔn)試件

為研究斜槽鋼板剪力墻的滯回性能，設(shè)計了1榀單向IS-SPSW基準(zhǔn)試件，幾何尺寸如圖4所示。通過將梁柱連接節(jié)點設(shè)置成鉸接方式來消除周邊框架的影響。鉸接框架軸線跨度及層高均為3,600mm，鋼柱及鋼梁均采用300mm×300mm矩形截面。剪力墻板厚度為11mm，斜槽寬度S=100mm，板帶寬度b=300mm，斜槽邊緣和板邊距離Δ=210mm，斜槽傾角為45°。剪力墻板采用Q235B級鋼材，鋼材彈性模量E=2.06×10∧5MPa，泊松比ν=0.3，強化階段的切線模量取0.02E，采用雙線性隨動強化模型，利用Mises屈服準(zhǔn)則考慮鋼材的包辛格效應(yīng)。

采用ANSYS程序建立單向IS-SPSW基準(zhǔn)試件的精細化有限元模型（圖5），周邊鋼柱、鋼梁、銷軸采用Solid185實體單元模擬，剪力墻板采用Shell181殼單元模擬，與周邊鋼柱、鋼梁通過多點約束（multi-point constraint，MPC）方式處理。

可以看出，在水平荷載作用下，板帶承擔(dān)斜向壓力時，產(chǎn)生隨機的平面外屈曲變形。在單向IS-SPSW基準(zhǔn)試件的層間位移角加載至2%時，板帶受壓屈曲時的最大平面外變形已達352.6mm，板帶已充分發(fā)展塑性。

可以看出，單向IS-SPSW基準(zhǔn)試件的滯回曲線捏縮嚴(yán)重，且表現(xiàn)出明顯的非對稱特征。其主要原因是剪力墻板僅沿單向開設(shè)斜槽，受壓時板帶失穩(wěn)致使屈曲承載力遠小于反向受拉承載力。此外，因板帶屈曲，在滯回曲線的第三象限出現(xiàn)明顯“尖點”。盡管IS-SPSW基準(zhǔn)試件滯回曲線捏縮嚴(yán)重，但由于明顯的拉壓異性特征，可將其應(yīng)用在自復(fù)位結(jié)構(gòu)中提供承載力，能顯著降低復(fù)位部件的用量。

02

不同高厚比對單向IS-SPSW滯回性能的影響

2.1 不同高厚比系列試件

為研究剪力墻板高厚比λ對單向IS-SPSW滯回性能的影響，保持單向IS-SPSW基準(zhǔn)試件幾何尺寸不變，即所有試件高度均為3,300mm，中間斜槽孔寬度s=100mm，考慮了四種不同的鋼板高厚比，如表1所示。

2.2 不同高厚比系列試件的平面外變形

可以看出，盡管剪力墻板高厚比不同，板帶受壓屈曲模式呈明顯隨機性。加載至層間位移角2%時，板帶受壓屈曲所產(chǎn)生的最大平面外變形約在350mm左右，板件高厚比對剪力墻板平面外變形影響不大。

2.3 不同高厚比系列試件的滯回曲線

圖10給出了不同高厚比單向IS-SPSW系列試件的滯回曲線。

可以看出，隨著斜槽剪力墻板高厚比的增加，滯回曲線趨于捏縮，受拉時的水平承載力呈顯著增加趨勢，反向受壓屈曲的承載力呈降低趨勢。

2.4 不同高厚比系列試件的骨架曲線

可以看出，正向加載時，隨著剪力墻板高厚比的減少，單向IS-SPSW系列試件的水平承載力呈增大趨勢，試件在層間位移角達到4%時，高厚比λ從500降至150，極限承載力提高224%;負(fù)向加載時，由于板帶屈曲導(dǎo)致骨架曲線出現(xiàn)“尖點”，受壓時水平承載力開始降低，并逐漸趨于穩(wěn)定。隨著層間位移角的增加，其水平承載力變化很小。不同高厚比系列試件在層間位移角達到0.375%左右時，斜向板帶進入彈塑性階段，并隨著層間位移角δ的增加，單向IS-SPSW系列試件的水平承載力呈明顯增大趨勢。此外，高厚比λ=150的剪力墻板屬于中厚度板范疇，其正、負(fù)向水平承載力均顯著大于其他試件。

2.5 不同高厚比系列試件的抗側(cè)剛度

抗側(cè)剛度退化規(guī)律可間接反映試件在加載全過程的損傷歷程。圖12給出了具有不同高厚比單向IS-SPSW系列試件的剛度退化曲線。其中，K為單向斜槽鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的割線剛度。

可以看出，單向IS-SPSW系列試件的正、負(fù)向剛度退化曲線明顯不對稱，正向加載時單向IS-SPSW系列試件的抗側(cè)剛度遠大于負(fù)向加載時的抗側(cè)剛度，這主要是由于剪力墻板斜槽的非對稱所致。當(dāng)正向加載的層間位移角小于2%時，單向IS-SPSW系列試件的抗側(cè)剛度退化迅速;當(dāng)層間位移角大于2%后，剪力墻板充分發(fā)展塑性，其抗側(cè)剛度退化均勻、緩慢。當(dāng)負(fù)向加載的層間位移角小于1%時，由于板帶受壓屈曲，抗側(cè)剛度退化迅速，隨后抗側(cè)剛度退化趨于均勻緩慢，但遠小于正向加載時單向斜槽鋼板剪力墻的抗側(cè)剛度，其抗側(cè)承載力幾乎可以忽略。

2.6 不同高厚比系列試件的耗能能力

耗能能力是評價結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗震性能的重要指標(biāo)，通常采用無量綱的等效黏滯阻尼比ξeq指標(biāo)衡量。等效黏滯阻尼比主要用于評估結(jié)構(gòu)或構(gòu)件滯回曲線的捏縮程度（圖13），可按下式計算。

可以看出，剪力墻板高厚比對單向IS-SPSW系列試件的等效黏滯阻尼比影響較大。高厚比λ=150的單向IS-SPSW試件的等效黏滯阻尼比為0.23，高厚比λ=300的單向IS-SPSW試件的等效黏滯阻尼比已降為0.16。隨著剪力墻板高厚比的增加，單向IS-SPSW系列試件的等效黏滯阻尼比呈降低趨勢，滯回曲線逐漸趨于捏縮。

03

不同跨高比對單向IS-SPSW滯回性能的影響

3.1 不同跨高比系列試件

為研究跨高比對單向IS-SPSW滯回性能的影響，保持IS-SPSW基準(zhǔn)試件的其他幾何尺寸不變，僅改變跨高比參數(shù)，共設(shè)計三種跨高比試件，如表2所示。

3.2 不同跨高比系列試件的平面外變形

可以看出，具有不同跨高比的單向IS-SPSW系列試件的板帶屈曲模式具有明顯的隨機性，且剪力墻板跨高比的改變對其平面外變形幅值影響不大，均在380mm左右。

3.3 不同跨高比系列試件的滯回曲線

可以看出，剪力墻板跨高比的改變對單向IS-SPSW滯回曲線的形狀影響不大，均獲得顯著捏縮的滯回曲線。板帶受壓時，剪力墻板跨高比對單向IS-SPSW系列試件的屈曲承載力幾乎無影響�？傮w上，剪力墻板跨高比對單向IS-SPSW系列試件的正向水平承載力影響較大。

3.4 不同跨高比系列試件的骨架曲線

可以看出，正向加載時，隨著剪力墻板跨高比的增加，單向IS-SPSW系列試件的水平承載力呈增加趨勢，試件在層間位移角達到4%時，跨高比β從1.0升至2.0，極限承載力提高88%。主要原因是隨著跨高比的增加，在保持板條寬度b和斜槽寬度s不變的前提下，板帶數(shù)量增多，剪力墻板抗剪承載力增加。負(fù)向加載時，盡管板帶數(shù)量增多，但很快屈曲，其整體受壓屈曲承載力幾乎不受影響。

3.5 不同跨高比系列試件的抗側(cè)剛度

可以看出，隨著剪力墻板跨高比的增加，正向加載時，單向IS-SPSW系列試件所獲得的初始抗側(cè)剛度呈增大趨勢。其主要原因是隨著跨高比的增加，板帶數(shù)量增加，抗側(cè)剛度增大。隨著水平荷載的增加，單向 IS-SPSW系列試件逐漸由彈性過渡到彈塑性階段，抗側(cè)剛度逐漸降低，最后趨于平緩。負(fù)向加載時，單向IS-SPSW系列試件的初始彈性抗側(cè)剛度分別約為68.6 kN/mm，65.0kN/mm，79.3kN/mm，約為試件正向加載時初始彈性抗側(cè)剛度的20%。剪力墻板跨高比對其初始抗側(cè)剛度及后期抗側(cè)剛度退化影響較小。

3.6 不同跨高比系列試件的耗能能力

可以看出，剪力墻板跨高比的改變對單向IS-SPSW系列試件的耗能能力影響不大，其最大等效黏滯阻尼比不超過0.2。但隨著結(jié)構(gòu)進入塑性程度的增加，單向IS-SPSW系列試件的等效黏滯阻尼比呈一定的降低趨勢。

04

雙向IS-SPSW的滯回性能

4.1 雙向IS-SPSW試件

為獲得捏縮、對稱的滯回曲線，保持IS-SPSW基準(zhǔn)試件其他參數(shù)不變，通過對稱開設(shè)斜槽，并布置雙向斜槽剪力墻板，形成雙向IS-SPSW結(jié)構(gòu)，其具體構(gòu)造如圖20所示，有限元模型如圖21所示。

為與傳統(tǒng)薄鋼板剪力墻（traditional thin steel plate shear wall，TT-SPSW）滯回性能進行對比，保持單向IS-SPSW基準(zhǔn)試件其他參數(shù)不變，僅剪力墻板未開設(shè)任何斜槽，形成了TT-SPSW試件，并對其進行了滯回性能分析。

4.2 雙向IS-SPSW的滯回曲線

可以看出，盡管高厚比λ=300的TT-SPSW的滯回曲線已顯著捏縮，但采用雙層斜槽剪力墻板的雙向IS-SPSW試件的滯回曲線更為捏縮。雖然雙向IS-SPSW試件的耗能能力有限，但能提供較大的水平承載力，不顯著增加其第二、第四象限的恢復(fù)力，將其應(yīng)用在自復(fù)位結(jié)構(gòu)中，可顯著降低用于實現(xiàn)復(fù)位功能的部件數(shù)量。

4.3 雙向IS-SPSW的骨架曲線

可以看出，在層間位移角達到4%時，TT-SPSW的水平承載力為5,748kN，雙向IS-SPSW的水平承載力為5,058kN，TT-SPSW的水平承載力略高。其主要原因是在雙向IS-SPSW的剪力墻板上開設(shè)了一定數(shù)量的斜槽，且斜槽具有一定寬度，致使其水平承載力有所降低。此外，雙向IS-SPSW試件的滯回曲線尤為捏縮，意味著受拉時剪力墻板主壓應(yīng)力場的貢獻程度有限所致。

4.4 雙向IS-SPSW的抗側(cè)剛度

可以看出，雙向IS-SPSW的初始抗側(cè)剛度均值為328kN/mm，TT-SPSW的初始抗側(cè)剛度均值為330kN/mm，兩者的抗側(cè)剛度相差不大。在加載后期，隨著水平承載力的增加，兩者的抗側(cè)剛度退化均勻、緩慢，且退化趨勢基本一致。

4.5 雙向IS-SPSW的等效黏滯阻尼比

可以看出，由于剪力墻板上開設(shè)了斜槽，導(dǎo)致雙向IS-SPSW的滯回曲線趨于捏縮，耗能能力顯著降低，在層間位移角達到2%時僅為0.13。盡管TT-SPSW的滯回曲線也存在捏縮現(xiàn)象，但其耗能能力仍較大，在層間位移角達到2%時的等效黏滯阻尼比約為0.27。雙向IS-SPSW與TT-SPSW的等效黏滯阻尼比相差一半。這充分說明雙向IS-SPSW可通過犧牲其耗能能力，換取結(jié)構(gòu)在受壓屈曲時較低的恢復(fù)力。

結(jié)  論

本文主要通過對單向IS-SPSW、雙向IS-SPSW及TT-SPSW的滯回性能的對比分析，重點考察了剪力墻板高厚比、跨高比對單向IS-SPSW滯回性能的影響規(guī)律，可以得出以下主要結(jié)論：

（1）單向IS-SPSW滯回曲線捏縮的主要原因是開設(shè)斜槽致使板帶主壓應(yīng)力釋放所致。隨著剪力墻板高厚比的增加，單向IS-SPSW滯回曲線更為趨于捏縮。單向IS-SPSW的水平承載力、抗側(cè)剛度、耗能能力均隨著剪力墻板高厚比的增加呈降低趨勢。

（2）剪力墻板跨高比的改變對單向IS-SPSW滯回曲線的影響較小，但單向IS-SPSW的水平承載力、抗側(cè)剛度及耗能能力均隨著剪力墻板跨高比的增加而增加。

（3）雙向IS-SPSW與TT-SPSW的水平承載力和抗側(cè)剛度相差較小，但雙向IS-SPSW的耗能能力與TT-SPSW相比小得多。通過對稱布置雙層斜槽剪力墻板可得到雙向IS-SPSW更具捏縮的滯回特征。