連桿根數(shù)對鋼板剪力墻有限元數(shù)值模擬結(jié)果的影響

連桿根數(shù)對鋼板剪力墻有限元數(shù)值模擬結(jié)果的影響

鋼板墻是一種良好的多高層反側(cè)力結(jié)構(gòu)。它具有較高的抗側(cè)剛性、強(qiáng)度和伸長率，同時(shí)，回波曲線穩(wěn)定，具有較大的彈性能耗。它適用于高烈度地震的地區(qū)?；诘刃Ю瓧U模型和相關(guān)文獻(xiàn)的鋼板剪力墻試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析拉桿根數(shù)對鋼板剪力墻有限元數(shù)值模擬結(jié)果精度的影響,分別采用均布和倒三角側(cè)向荷載作用模式進(jìn)行Pushover分析研究4層3跨鋼框架-鋼板剪力墻體系剪力墻板寬厚比的變化對結(jié)構(gòu)水平極限承載力(水平極限承載力是指結(jié)構(gòu)進(jìn)行Pushover分析時(shí)的底部剪力最大值)及剪力墻承擔(dān)的承載力比例的影響,并與相應(yīng)的純框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。1等效連鎖板模型鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力墻板只承受水平力作用,豎向力完全由周邊的框架柱承擔(dān)。在水平荷載作用下,當(dāng)剪力墻板所受剪力達(dá)到屈曲剪力后,板開始屈曲,剪力墻板屈曲后并不意味著破壞,鋼板剪力墻還能利用鋼板的屈曲后強(qiáng)度繼續(xù)承擔(dān)大量的側(cè)向荷載。在達(dá)到極限承載力時(shí),剪力墻板會(huì)形成與水平線成θ角的傾斜拉力帶。等效拉桿模型是把鋼板剪力墻中的剪力墻板看成是由一系列傾斜、等間距的板條組成,其模型如圖1所示。板條用拉桿來進(jìn)行模擬,拉桿的兩端鉸接于框架的梁和柱構(gòu)件。拉桿只能傳遞拉力,其方向與鋼板墻中板的主拉應(yīng)力方向相同,板條寬度等于拉桿之間的間距,每根拉桿的面積等于板條的寬度與板厚的乘積。拉桿與板的材料屬性相同?；趦?nèi)填板的剪切變形模式和功的最小原理,加拿大鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(CAN/CSA-SI6—01)給出了計(jì)算傾斜角的公式,即tan4α=2t?b+1Ac2t?b+2?dAb?b+d4180?If?b2(1)tan4α=2t?b+1Ac2t?b+2?dAb?b+d4180?Ιf?b2(1)式中,b、t和d分別為板寬、板厚和板高;Ac和Ab分別為柱和梁的橫截面面積;If為柱的慣性矩,傾角α=90°-θ。等效拉桿間距為s=bsinθ+dcosθn(2)s=bsinθ+dcosθn(2)式中,n為每塊剪力墻板的拉桿個(gè)數(shù),且n≥2;其余參數(shù)見圖1。2鋼板剪力墻的有限元分析基于等效拉桿模型并利用有限元分析軟件SAP2000對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行Pushover分析得到非加勁鋼板剪力墻的水平極限承載力。有限元數(shù)值模擬時(shí)采用框架單元模擬梁、柱構(gòu)件和剪力墻板等效成的拉桿。等效拉桿截面形式為方形截面,對每根拉桿釋放彎矩和扭矩以實(shí)現(xiàn)拉桿與周邊框架梁、柱的鉸接,且在桿中間處設(shè)置1個(gè)P鉸以模擬剪力墻板的受拉屈服,同時(shí)在拉壓比限定中把壓力限值設(shè)為0以表示桿只承受拉力而不承受壓力。梁在2端設(shè)置M鉸,柱在2端設(shè)置P和M的耦合鉸,其中P鉸和M鉸采用SAP2000中默認(rèn)的塑性鉸。豎向荷載作為一個(gè)荷載步,以荷載控制,并設(shè)為靜力非線性分析;水平荷載作為多個(gè)荷載步,以位移控制,并設(shè)為以豎向荷載分析工況為起點(diǎn)的靜力非線性分析。靜力非線性分析時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的P-Δ效應(yīng)。等效拉桿模型模擬鋼板剪力墻的精度與拉桿個(gè)數(shù)有關(guān)。采用文獻(xiàn)的單層單跨和文獻(xiàn)的4層1跨鋼板剪力墻試驗(yàn)?zāi)Ｐ?并對每塊剪力墻板分別用2、3、4、10和20根等效拉桿進(jìn)行有限元分析以確定拉桿數(shù)目對模擬結(jié)果的敏感性影響。單層單跨鋼板剪力墻使用不同的等效拉桿根數(shù)模擬剪力墻板得到的底部剪力-頂層水平位移曲線與試驗(yàn)結(jié)果的比較如圖2所示,4層1跨鋼板剪力墻有限元模擬的底部剪力-第1層層位移曲線與試驗(yàn)結(jié)果的比較如圖3所示。單層單跨和4層1跨鋼板剪力墻不同拉桿根數(shù)時(shí)拉力帶的傾角θ、正方形拉桿截面長度和有限元模擬的水平極限承載力與實(shí)驗(yàn)值比較分別如表1和表2所示。由圖2和圖3可知,利用等效拉桿模型模擬鋼板剪力墻得到的彈性抗側(cè)剛度小于實(shí)測值,拉桿根數(shù)少于4根模擬剪力墻板得到的力-位移曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差很大。從表1和表2可知,拉力帶傾角只與剪力墻板和周邊框架梁、柱的截面屬性有關(guān),而與等效拉桿的根數(shù)無關(guān)。隨著每塊剪力墻板等效拉桿根數(shù)的增加,拉桿截面長度越來越小,并且有限元模擬得到的水平極限承載力也越來越接近實(shí)驗(yàn)值。對于單層單跨鋼板剪力墻,利用10根拉桿模擬剪力墻板得到的水平極限承載力為689kN,而試驗(yàn)值為682kN,二者誤差僅為1.0%。對于4層1跨鋼板剪力墻,每塊剪力墻板利用10根拉桿進(jìn)行模擬得到的水平極限承載力為3000kN,試驗(yàn)值為3100kN,二者誤差僅為-3.2%。因此,利用等效拉桿模型可以很精確地模擬鋼板剪力墻的水平極限承載力。隨著拉桿根數(shù)的增加,計(jì)算效率會(huì)越來越低且數(shù)值建模的復(fù)雜程度會(huì)越來越大,同時(shí)考慮到有限元數(shù)值模擬的精度,建議每塊剪力墻板用10根拉桿進(jìn)行等效。3加載模式對水平極限荷載分配的影響不同的側(cè)向荷載分布作用下結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制是不同的,因而結(jié)構(gòu)所選擇的荷載分布既應(yīng)反映出地震作用下各結(jié)構(gòu)層慣性力的分布特征,又應(yīng)使所求得的位移能大體真實(shí)地反映地震作用下結(jié)構(gòu)的位移狀況。文獻(xiàn)建議至少采用2種以上的側(cè)向荷載分布進(jìn)行Pushover分析。作者利用第2部分試驗(yàn)驗(yàn)證的每塊剪力墻板用10根等效拉桿模型,通過SAP2000有限元分析軟件分別采用均布和倒三角側(cè)向荷載作用模式研究4層3跨鋼框架-鋼板剪力墻雙重抗側(cè)力體系在剪力墻板寬厚比為時(shí)的水平極限承載力,并與相應(yīng)的純框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,得到不同側(cè)向荷載作用模式下多層多跨剪力墻板寬厚比對結(jié)構(gòu)水平極限承載力以及剪力墻和鋼框架各自承擔(dān)的水平極限荷載比例的影響規(guī)律。為便于對比分析,所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料屬性和框架梁、柱的幾何尺寸均與文獻(xiàn)試件完全相同。每塊剪力墻板長均為3m,寬均為2m?；诩袅Π宓牡刃Ю瓧U模型進(jìn)行有限元分析得到不同側(cè)向荷載作用模式下的結(jié)構(gòu)水平極限承載力如表3所示。由表3可知,盡管不同的側(cè)向加載模式會(huì)影響結(jié)構(gòu)的水平極限承載力,但相同側(cè)向加載模式下帶有剪力墻結(jié)構(gòu)的水平極限承載力總是比相應(yīng)的純框架大得多。4層3跨鋼框架-鋼板剪力墻體系在均布荷載和倒三角荷載作用下的水平極限承載力隨剪力墻板寬厚比的變化如圖4所示。由圖4可知,結(jié)構(gòu)的水平極限承載力隨著寬厚比的增大而減小,表明剪力墻板越薄,結(jié)構(gòu)的水平極限承載力越低。在均布側(cè)向荷載作用下,寬厚比時(shí)λ=250—300極限承載力下降坡度最為顯著;而在倒三角側(cè)向荷載作用下,寬厚比λ=300—400時(shí)極限承載力下降坡度最為顯著。同一種結(jié)構(gòu)在均勻側(cè)向荷載作用下的水平極限承載力總是大于倒三角側(cè)向荷載作用下的承載力,但二者相差不大。側(cè)向荷載作用模式分別為均布和倒三角下鋼框架和剪力墻各自承擔(dān)水平荷載占水平極限荷載的比例隨剪力墻板寬厚比的變化如圖5所示。由圖5可知,側(cè)向加載模式對水平極限荷載的分配幾乎沒有影響;隨著剪力墻板寬厚比的增加,剪力墻承擔(dān)的水平極限荷載比例逐漸減少,而鋼框架承擔(dān)的水平極限荷載比例則逐漸增加。倒三角側(cè)向荷載作用下,當(dāng)寬厚比λ=300時(shí),剪力墻承擔(dān)了68.5%的水平極限荷載,鋼框架則只承擔(dān)了31.5%的水平極限荷載;而當(dāng)寬厚比λ=600時(shí),剪力墻和鋼框架幾乎各自承擔(dān)一半的水平極限荷載。這表明,隨著剪力墻板的變薄,鋼框架抗抵水平荷載的作用越來越大,而剪力墻抵抗水平荷載的作用則越來越小。根據(jù)我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001)規(guī)定:鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)中框架部分承擔(dān)的地震剪力不小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的25%,由圖5可知,剪力墻板寬厚比不得小于250。同時(shí),考慮到結(jié)構(gòu)的水平極限承載力隨著寬厚比的增大而減小,建議多層多跨鋼框架-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)剪力墻板的寬厚比取為λ=250—300。4剪力墻板加載模式a.利用等效拉桿模型進(jìn)行Pushover分析可以準(zhǔn)確地模擬鋼板剪力墻的水平極限承載力,模擬的精度與等效拉桿根數(shù)有關(guān),少于4根拉桿模擬的水平極限承載力精度很差,建議每塊剪力墻板用10根拉桿進(jìn)行等效。b.側(cè)向加載模式會(huì)影響結(jié)構(gòu)的水平極限承載力,同一種