滞回加载下开缝钢板的抗震性能如何，开缝系数对承载力有何影响？

文|玉沙粼

编辑|玉沙粼

— 前言 —

本文首先选取了足尺联肢钢板墙模型和开缝参数建立了足尺联肢开缝钢板墙原型，然后对其进行了滞回加载下的抗震性能分析和单调推覆下的变参分析。

由于足尺建筑在构件尺寸设计上更具合理性，避免了缩尺模型所带来的尺寸与受力不匹配等问题。

因此本文首先选取了足尺联肢钢板墙建筑，然后将开缝参数对联肢开缝钢板墙的抗侧性能影响进行分析，选取了合理的开缝参数取值范围并给出了联肢开缝钢板墙承载力公式，在此基础上建立起联肢开缝钢板墙原型。

— 缝间细柱厚度 —

首先研究联肢开缝钢板墙的缝间细柱厚度t的合理取值范围，使用所建立的足尺模型为原型，保持框架、连梁和墙板的尺寸和材料不变，保持缝间细柱的长度和高度不变，只改变墙板的厚度t。

然后对其进行单调推覆加载，以其图中所得的模型承载力、初始刚度、承载力稳定性（4%位移角处承载力下降程度）为衡量指标。

由不同墙板厚度模型数据对比可知缝间细柱最大厚度，由于墙板开缝，联肢开缝钢板墙最大承载力和初始刚度较联肢不开缝钢板墙有所下降。

因此为了提升承载力和初始刚度，开缝墙板应在厚度上有所增加，随着厚度的增大，结构整体的承载力和初始刚度越来越高，但承载力稳定性下降。

如t=7mm时承载力下降了1%，承载力稳定性良好；t=20mm时承载力下降明显4%，承载力稳定性变差；从开缝切割工艺角度来讲，开缝钢板墙厚度在大于15mm时，开缝难度大幅提升，质量下降明显。

而且，高厚度的墙板对左右框架柱的拉力增大，造成框架柱负担过大，不符合结构“强柱弱梁”的准则。

另外，当墙板厚度大于13mm时，墙板屈服时间后延，与连梁几乎同步屈服，不符合理想的先墙板和连梁最后墙肢的塑性发展顺序。

最后，从用钢量的角度来讲，墙板过厚用钢量大幅增加，t=20mm时用钢量为t=10mm时的用钢量的2倍，但承载力只提升了19.3%，不满足经济实用的原则，墙板厚度不能太大，建议取值小于14mm。

综上所述，开缝墙板厚度取值范围应小于14mm，缝间细柱最小厚度：从上表可以看出厚度越小，承载力和刚度递减速度越快，当墙板厚度t=5mm时，相较墙板厚度t=7mm时。

墙板的承载力和刚度下降明显，达14.1%和30.9%，很难达到建筑的强度和刚度要求。

因此，不建议开缝墙板的厚度小于7mm，另外，墙板厚度太小时，缝间细柱的面外变形加大，不利于联肢钢板剪力墙体系的实体应用，影响建筑的日常使用功能。

最后，从开缝加工的角度来说，墙板厚度5mm时，墙板激光开缝的加工将产生过大变形，结构的初始缺陷程度加大。

当墙板厚度为7mm时，这些情况显著改良，因此，开缝墙板厚度应大于7mm，综上所述，缝间细柱厚度取值范围为[7mm,14mm]。

确定墙板厚度t的范围之后，然后研究缝间细柱宽厚比的范围，以建立的足尺模型为原型，保持框架、连梁和墙板的尺寸和材料不变，保持缝间细柱的长度不变，只改变缝间细柱的宽度b得到6个联肢开缝钢板墙模型。

同时又加入了未开缝的联肢钢板墙模型作为对比对象，得到各模型单调推覆加载下的荷载-位移曲线。

以所得的模型承载力、初始刚度、承载力稳定性（4%位移角处承载力下降程度）为对比指标，可以得到各模型的指标。

随着缝间细柱宽厚比b/t的增大，结构的承载力稳定性下降，如b/t=10时承载力下降了2%，承载力稳定性良好；b/t=20时承载力下降了2%，承载力稳定性良好；b/t=25时承载力下降明显，下降4%，结构承载力稳定性变差。

同时，由上可以看出，b/t越大，框架柱所受的柱轴力也越大，逐渐失去墙板开缝来降低框架柱轴力的优势，因此，综上所述，b/t取值范围应小于20。

缝间细柱最小宽厚比：缝间细柱宽厚比b/t越小，联肢开缝钢板墙的承载力和刚度越小，当b/t=6时，相较联肢未开缝钢板墙，联肢开缝钢板墙最大横向荷载和刚度下降明显，达21.6%和48.8%。

因此，不建议b/t小于6；当b/t=10时，承载力和刚度下降不明显，因此，建议缝间细柱宽厚比b/t大于10。

而且在t的取值范围已确定的情况下，b/t越小，就意味着缝间竖柱宽度b越小，墙板加工切割细缝的数量也就越多。

这样一方面成本增加不具有技术经济优势，另一方面细缝的增多也会使墙板有更多的初始变形，因此缝间细柱宽厚比b/t取值范围应大于10。

综上所述，缝间细柱宽厚比b/t取值范围为[10,20]，研究联肢开缝钢板墙系统的缝间细柱高宽比h/b的设计范围。

使用足尺模型为原型，保持框架、连梁和墙板的尺寸和材料不变，墙板厚度t和缝间细柱宽度b不变，只改变缝间细柱的高度h得到6个模型，各模型单调推覆加载下的荷载-位移曲线。

所得的模型承载力、初始刚度、承载力稳定性（4%位移角处承载力下降程度）为衡量指标，所得各模型的指标。

从上可以看出缝间细柱高宽比h/b越大，承载力和刚度递减速度越快，当h/b=10时，相较未开缝联肢钢板墙，墙板的承载力和刚度大幅度下降了26.5%和49.2%，不能达到建筑的强度和刚度要求。

因此，不建议h/b小于8，另外缝间细柱高宽比h/b太大时，缝间细柱的面外变形加大，不利于联肢钢板剪力墙体系的应用，影响建筑的日常使用功能。

同时，可以看出，h/b变大时，缝间细柱塑性发展不完全，对系统的抗震性能不利。

最后，从技术经济的角度来看，开缝高度大会增加开缝切割的费用，因此大缝间细柱高宽比h/b并没有技术经济优势。

当h/b小于6时，这些情况开始显著改良，因此，缝间细柱高宽比h/b取值应小于6，最小缝间细柱高宽比:可以看出但随着最大缝间细柱高宽比h/b的减小，结构的承载力和初始刚度越来越高，但承载力稳定性下降。

如h/b=6时承载力下降了1%，承载力稳定性良好；h/b=2时承载力下降明显5%，承载力稳定性变差。

从上述可以看出，缝间细柱高宽比h/b较小的墙板对左右框架柱的拉力增大，造成框架柱负担过大，不符合结构“强柱弱梁”的准则。

因此，综上所述，缝间细柱高宽比h/b取值范围建议大于3，缝间细柱高宽比h/b建议取值范围为。

最后研究联肢开缝钢板墙系统的缝间细柱排数m的设计范围。

保持框架、连梁和墙板的尺寸和材料不变，保持缝间细柱的长度和高度不变，只改变墙板缝间细柱排数m得到下表3.7中4个模型各模型单调推覆加载所得的荷载-位移曲线。

以图中所得的模型承载力、初始刚度、承载力稳定性（4%位移角处承载力下降程度）为衡量指标。

与未开缝联肢钢板墙相比，当缝间细柱排数m=1时，承载力和刚度分别下降了7.5%和16.6%，下降程度在可接受范围内。

当m=2时，承载力和刚度分别下降了15.9%和45.4%，当m=3时，最大横向荷载和刚度下降达32.1%和64.9%，无法满足建筑物的强度和刚度要求。

另外，m=1时,结构在4%位移角处承载力仅下降了3%，相较于未开缝联肢钢板墙结构下降的6%，承载力稳定性表现良好。

而且，m=2或3时，部分缝间细柱没有屈服，造成对墙板性能的浪费，且不利于结构的整体抗震性能。

— 开缝参数与承载力的关系 —

分析联肢开缝钢板墙的横向承载力，可以从受力本质上对这种结构进行研究。为了定性分析开缝参数对联肢开缝钢板墙结构整体受力的影响机理。

本文对横向力作用下联肢开缝钢板墙的承载力公式进行了推导，并用数值模拟的算例进行了可靠性验证。

开缝墙板承载力公式本文采用在09年所得开缝钢板墙承载力公式，该公式假设：若外围尺寸及缝参数设计合理，则开缝墙板将以柱状部弯曲破坏为极限状态。

横向力作用下墙板上的所有缝间细柱全面屈服形成塑性铰时，开缝墙板整体的承载力不再提升，达到极限承载力。

因此，可将所有缝间细柱形成塑性铰时的承载力之和作为开缝墙板的极限承载力，开缝墙板极限承载力Fp：

通过对上式进行分析，可以看出：开缝墙板的极限承载力Fp与缝间竖柱高度h和缝间细柱宽度b、缝间细柱数量n和墙板厚度t有关。

缝间细柱高度h越大，极限承载力Fp越低；缝间细柱宽度b越大，极限承载力Fp越高；墙板厚度t越大，极限承载力Fp越高。

联肢开缝钢板墙总承载力公式推导得出开缝墙板的极限承载力公式之后，本小节将在此基础上继续对联肢开缝钢板墙整体的承载力进行分析。

其原理是基于联肢开缝钢板墙达到极限荷载时，各部分均屈服进入塑性，通过塑性变形做内功来消耗横向荷载所做的外功，两者值相同。

本文采取这种方法来推导联肢开缝钢板墙的承载力公式，以单层联肢开缝钢板墙为例，横向力下的结构受力变形。

框架所做的内功假设集中在端部的塑性铰，墙板所做的内功包括非开缝区墙板的塑性变形和缝间细柱端部的塑性铰。

横向力对结构所做的外功和图中各构件塑性变形所消耗的能量相等。

— 结语 —

本文对联肢开缝钢板墙模型进行滞回加载下的破坏过程分析，对联肢开缝钢板墙在滞回加载过程中各构件的应力云图变化初步分析可以判断该构件是否进入塑性。

得到各构件屈服的时间，对各构件进入屈服的时间进行排序，可以得到联肢开缝钢板墙的屈服破坏顺序。

框架柱屈服之前，开缝墙板和各层连梁均屈服，构件耗能能力得以充分发挥，提高了结构整体的耗能能力。综上所述，联肢开缝钢板墙是一种优秀的抗侧结构。

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