开孔钢板剪力墙循环性能试验研究外文翻译资料

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开孔钢板剪力墙循环性能试验研究

近几十年来，钢板剪力墙由于其韧性和吸能特性，被认为是一种方便的抵抗地震和风荷载的体系，特别是在高层建筑中。开孔的存在影响着钢板剪力墙的抗震性能和抗震性能。本文通过试验研究了开孔尺寸和板长细系数对钢板剪力墙抗震性能的影响。在伊朗乌尔米亚大学薄壁结构研究实验室，制作了8个1:6比例的试件，在板的中心有两种厚度和四种不同的圆形开口比，并在循环滞后加载的影响下进行了测试。这个孔被放在面板的中心，因为这是考虑到面板张力场作用最有害的位置。得到的结果表明，钢板剪力墙稳定和理想的行为的大位移达6%的漂移。开孔的产生降低了系统的初始刚度和强度，而增加开孔直径将加剧这一问题。试件的延性表明了体系在非线性范围内的稳定运行。虽然试件在非线性范围内的稳定循环行为主要导致加载过程中的能量耗散，但面板中心开孔的存在使系统的能量吸收明显下降。

关键词;钢板剪力墙开口;弹性刚度剪切强度延性;能量吸收

1 介绍

近十年来，钢板剪力墙(SPSW)的应用引起了人们的广泛关注_s)1，作为一种理想的抵抗建筑物横向荷载的系统。钢板剪力墙类似于垂直放置的板梁，并在建筑的总高度上进行扩展。高弹性刚度、高延性和稳定的迟滞回线是SPW系统的一些理想特性。由于钢板剪力墙耗能大，在高活性地震带可以发挥有益的作用。与钢筋混凝土墙相比，SPW体系具有稳定的滞回性能和腹板的斜向拉伸场作用，具有较高的能量吸收能力。此外，SPW系统比混凝土墙更轻。由于这些原因，SPW系统将导致地震力的减少。通过使用车间焊接、现场螺栓连接的spw，改善了现场检查，实现了高水平的质量控制。对于建筑师来说，与钢筋混凝土剪力墙相比，spw的截面更小，从而增加了通用性和节省空间，这是一个明显的好处，特别是在高层建筑中，低层的钢筋混凝土剪力墙变得非常厚占用大部分的平面图。

在某些情况下，由于建筑原因、通过设备或延性、刚度控制等结构原因，开孔的存在是不可避免的。因此，有必要研究开孔对钢板剪力墙抗震性能的影响。

为了研究spw的荷载-位移特性，Sabouri- Ghomi和Roberts于1991年对16块小尺度无加固薄板进行了一系列的循环准静态试验[2,3]。框架铰接，板与边界构件通过螺栓连接。加载和卸载操作沿对角线进行，以产生纯剪切。所有的面板都显示出足够的延展性和消散大量能量的能力。提出了一种计算钢板剪力墙抗剪承载力的理论方法，即板框相互作用法(PFI)。研究实验穿孔试样，Sabouri和Roberts提出了强度下降的经验系数(1minus;D/ D)和由于开孔的存在，钢板剪力墙的刚度，其中D为开孔直径，D为板高。

2000年，Deylami和Daftari使用NISA П非线性有限元程序分析了50多个在面板中心有矩形开口的模型。他们研究了一些重要的几何参数的影响，如板厚、开口高度与宽度之比、开口面积百分比[4]。在小开孔率情况下，抗剪承载力的降低更多地取决于板厚。

高度与开口优化宽度的比率一直是板厚的函数，而不是依赖于开口百分比。在较薄的钢板剪力墙中，最大抗剪承载力是通过较小的高宽比来实现的。同时，厚板的抗剪承载力在达到最大值后的下降速度比薄板慢。在所有情况下，当孔高宽比大于1时，均达到最优抗剪承载力。

2004年，布法罗大学的Vian和Bruneau与台湾大学[5]开始了一项关于spw的联合实验研究。对3个单层钢面板剪力墙试件进行了试验。试件采用低屈服强度的钢填充板，并减小了梁端截面。第一个样本有一个实心面板，第二个有20个直径为200毫米的开口，第三个样本在面板角落有四分之一圆的切口，这些切口被加强以将面板的力转移到邻近的框架。在本研究中，所有试件均按ATC-24协议[6]进行循环准静态加载试验。试验结果表明，低屈服强度的钢板剪力墙可以作为一种实际的抗震抗侧力选择。使用屈服强度小的薄板会导致板的强度下降和能量耗散的快速启动。带开口的面板显示出强度和刚度的下降，因此当屈服强度小的钢板不易获得时，可以使用它们。

Kharrazi等人[7]提出了一种名为Modified的理论模型板框相互作用(M-PFI)用于韧性钢板剪力墙的剪切和弯曲分析。在该模型中，将钢板剪力墙的性能分为弹性屈曲、后屈曲和屈服三个不同的部分。M-PFI模型考虑了钢剪力墙的抗剪和抗弯性能，描述了SPW体系的性能，与不同的试验结果具有良好的兼容性。

通过研究以往关于钢板剪力墙的工作，发现尽管SPW体系中存在开口是不可避免的原因，但开口对SPW结构抗震性能影响的研究却很少。在本研究中，为研究长细比、开孔比和破坏模式对钢板剪力墙的影响，设计了8个试件，按1:6的比例进行循环荷载试验。孔被放置在板材的中心，因为从板材的张力场作用来看，这是最有害的位置。确定了初始刚度、抗剪强度、延性和耗能率等主要参数。

2 剪力-位移的解析式

图1所示。仅[1]有足够支撑的钢板的剪力-位移图。本文提出的计算临界屈曲和屈服能力的M-PFI公式[7]可用于研究试验结果。由于实验室框架的铰接梁柱节点，框架体系不提供任何可考虑的抗侧向力。因此，面板抗侧力的强度仅包括填充板的强度。图1给出了尺寸为b、d、厚度为t的钢板的剪力-位移图。图1中的C点和D点分别为钢板的屈曲和屈服点。

2.1 屈曲阶段

临界屈曲剪切应力，tau;_cr，对于一块钢板的计算公式为[8]:

其中t, b, E， mu;， tau;_Y 和sigma;₀ 钢板的厚度，宽度是多少钢板的弹性模量、泊松比、剪切屈服分别为板的应力和单轴屈服应力。剪切屈曲系数k取决于钢板长宽比和边界条件，对于简支方板，k = 9.35。因此，临界剪切力F_cr，临界剪切位移，U_cr，可以用以下方法计算:

式中G、d分别为钢板材料的剪切模量、钢板高度的剪切模量。通过计算F_cr 和你_cr 用方程式。(2)、(3)，在图1的剪力-位移图中指定C点的位置。

2.2 后屈曲阶段

假设在屈曲后阶段，整个腹板的斜向张力场从水平方向以theta;的角度展开。根据薄板的Von Mises屈服准则计算板在屈服时的总应力，得到腹板的抗剪强度F_u，可以指定为[7]:

其中sigma;ty为屈服时的张力场应力。极限弹性剪切位移Ue为[7]:

为进一步简化剪切荷载位移图的计算，可将图1中的直线OC和CD替换为直线OD。

Roberts和Sabouri得出结论，随着(1minus;D/ D)的增加，强度和刚度呈线性下降，其中D为开口直径，D为板高[3]。上述公式采用了Roberts和Sabouri提出的还原因子

考虑到有孔试件的强度和刚度降低。

3 测试prograTh

用于研究长细系数和开口的影响。在乌尔米亚大学薄壁结构研究实验室，制备了8个1：6比例的钢板剪力墙抗震参数，进行了循环荷载下的试验。绞架的试验，试件的制备及加载过程如下。

3.1 铰链框架

为降低横向荷载作用下框架与钢板相互作用引起的行为复杂性，设计并制作了一种安全系数较高的铰链框架。fab- ricated框架的2U120 DIN1026梁和柱之间的中心线至中心线间距为620 mm。考虑到框架体系应用的槽钢截面的高度，内板的尺寸为500 times; 500 mm。为了加强梁和柱的刚性作用，除了防止边界构件腹板的支座失效外，一个厚度为8mm的边界板通过角焊缝与槽钢腹板连接。为了提供铰链连接，梁和柱仅用直径为24mm的ASTM A490螺栓连接，如图2所示。为了连接框架内部的钢板，每个框架构件使用两排直径为10mm的ASTM A490螺栓(图3)。

3.2试验标本

试验考虑了如表1所示的试验试件，对钢板剪力墙的抗震性能进行了试验研究。为了忽略框架效应在承受侧力时的影响及其复杂性，边界构件之间的连接被认为是铰接节点。在这些试件中考虑的变量是长细系数(板宽厚比)和开口比(开口对角线与板高比)。为此，选择了0.37和0.7 mm两种厚度的板材。对于每个厚度，测试了一个没有任何开口的面板和三个直径为100、175和250 mm的圆形开口的面板。规定钢板的材料性能，进行四次拉伸试验试片已根据ASTM A370- 97a 2001标准[10]准备并测试。表2列出了测试结果的摘要。

表1

实验标本的技术规格。

3.3荷载和边界条件

调整内部钢板，在实验室刚性基础上建立系统后，安装上梁铰链，通过测载单元与加载液压千斤顶连接，如图4所示。如图5所示，已经使用了三个传感器来测量结构的循环位移和控制支撑沉降。为了计算无穿孔试样加载过程中的应变量，在每个加载方向的主对角线上的两个应变计和次对角线上的一个应变计。5).

对于穿孔试样，每个加载方向的主和次对角线使用一个应变计（总共四个应变计）。在真实的建筑中，在天花板水平上的横向支撑是由一个平板创建的。为了模拟这一点，标本被横向支撑，如图6所示。为了研究试样的地震行为，定义了5个循环加载过程，漂移达到6%（图7）。考虑条件情况，第一个周期在线性范围内漂移0.5%，接下来的四个周期在系统地震行为的非线性范围内。加载是以低速进行的，以防止出现动态模式。

4.结果讨论

据观察，在面板上放置一个开口，板屈曲时产生的声音和冲击会减少。在开口比最大的样品中，这将被完全去除。在我们的实验样品中，张力场的位移和膨胀情况如图8所示。张力场的倾角为45°，因为所有的实验样品都是正方形的。张力场的膨胀和屈曲波始于主对角线上的一波，然后通过增加试样的横向位移，形成了与主波相同方向的第二波。板中屈曲波的形成在厚度较小的板中更明显，也更容易区分波。如图8a所示，有5个完整的没有开口的样品可见波状波，平板厚度为0.7mm(SPW1)，漂移率为4.5%。对于没有开口、板厚度为0.37mm(SPW5)、漂移率为3%的样品，观察到7个具有45°角的完整波(图8e)。由于其较高的极限强度，无开口的试样在测试程序结束时显示了板和螺栓连接的轴承故障（图9）。在板厚度较小的穿孔试样（SPW7和SPW6）中，由于应力集中，开口周围出现板撕裂失效（图10）。实验样品的力-位移迟滞回线以及理论结果如图11所示。在面板中心放置一个开口会降低钢板剪力墙系统的初始刚度和横向阻力能力。随着

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