侧撑

两边连接竖向波纹钢板剪力墙的抗侧性能

赵秋红;邱静;郝博超;王晴薇

【期刊名称】《《天津大学学报》》

【年(卷),期】2019(052)0z2

【总页数】8页(P46-53)

【关键词】波纹钢板剪力墙;两边连接墙板;拟静力试验;有限元分析;抗侧性能

【作者】赵秋红;邱静;郝博超;王晴薇

【作者单位】天津大学建筑工程学院天津300350;滨海土木工程结构与安全教育

部重点实验室(天津大学)天津300350

【正文语种】中文

【中图分类】TU392.4

经过40余年的研究和应用，钢板剪力墙已被证明是1种适用于高烈度区高层及超

高层建筑的高效抗侧力结构．钢板剪力墙承载力及耗能能力高，自身鲁棒性好，抗

震性能优越[1]，在北美、日本、中国等国家和地区得到广泛应用；但当墙板采用

平钢板时，在较低的侧向力下往往发生剪切屈曲，然后通过墙板的斜向拉力带作用

(TFA)进一步承担侧向荷载．边框柱对墙板拉力带起到了锚固作用，而拉力带也相

应地对边框柱造成了较高的附加弯矩[2]，增加了柱截面尺寸及工程成本．

因此，有学者提出两边连接钢板剪力墙的概念，即在钢板剪力墙的侧边开缝或通高

开洞，墙板与边框柱不再连接，而仅与边框梁连接[3-5]，从而避免拉力带对边框

柱产生不利影响，同时也满足了通道、门、窗等建筑洞口需求．但是，墙板侧边不

与边框柱连接将导致内部拉力场仅部分有效锚固于边框梁上，无法充分发展，显著

削弱了结构的整体承载力和抗侧刚度[6].为使墙板拉力场发展更为充分，需在板边

设置约束构件，且其刚度需满足最小阈值要求；这样的约束构件一般截面较大[7]，

不仅造价较高，施工复杂，且会侵占部分洞口空间．

波纹钢板剪力墙是近十年来提出的采用波纹钢板作为内嵌墙板的1种新型钢板剪

力墙结构[8-11]，其中竖向波纹钢板剪力墙指波纹沿水平方向延伸，即波纹在墙板

表面形成竖向的“肋”．通过波折的方式，显著提高了内嵌墙板的屈曲强度，解决

了传统平钢墙板在侧向力或重力荷载作用下易屈曲的问题[10]，提升了施工效率，

且提高了抗侧刚度、承载力及耗能能力．与拉力场承载相比，波纹墙板更多地依靠

面内剪切承载的方式，而同样依靠剪切承载的屈曲约束墙板两边连接时对板边约束

构件的要求明显降低[12]．因此，相比于平钢板剪力墙，波纹钢板剪力墙有望更适

合两边连接的形式．

同时，对波纹墙板而言，为满足建筑洞口需求，通高开缝或开洞与局部开洞相比更

易于制作；两侧通高开洞至一定宽度时，墙板不再与框架梁柱节点连接，简化了节

点受力及制作，并可采用工厂预制多层梁及墙板模块，现场装配梁柱节点的施工方

式，提高了施工效率及建筑装配化水平．

另一方面，平钢板剪力墙一般通过减小板厚来降低结构的刚度和承载力，以满足底

层至顶层递减的层剪力设计要求．波纹墙板则按等效高厚比分为薄板、中厚板、厚

板3类，其中厚板更接近剪切承载的模式，而中厚板及薄板则易发生复杂的相关

屈曲，导致延性下降，目前在设计时不建议采用[13]．竖向波纹板的等效高厚比受

板厚及板高的直接影响，减少板厚时等效高厚比增加，墙板承载力降低，但可能由

厚板进入中厚板或薄板的范畴，不建议采用；而等效高厚比受板宽的影响很小[14]，

增加洞口宽度即减小板宽时，墙板承载力降低，但等效高厚比几乎不变，依然可保

持在厚板的范畴．因此，相比减小板厚，通过减小竖向波纹墙板宽度来降低墙板设

计强度将更有效．

综上所述，两边连接竖向波纹钢板剪力墙有望在有效避免墙板对边框柱的不利影响

的同时，相比两边连接平钢板剪力墙显著提升抗侧刚度及承载力，并降低对板边约

束构件的设计要求．两边连接竖向波纹钢板剪力墙更便于设计人员调整结构刚度和

承载力，满足建筑开洞需求，并且有利于工厂预制多层模块现场装配施工，大力提

升建筑工业化水平．本文在拟静力试验的基础上，结合精细化有限元数值模拟对两

边连接竖向波纹钢板剪力墙结构的抗侧性能及工作机理进行研究，并通过参数分析

探究波纹方向、板边约束构件尺寸、墙板宽度、位置、竖向荷载等主要设计参数对

结构抗侧性能的影响，为进一步推广及工程应用提供了理论依据及设计参考．

为探究两边连接竖向波纹钢板剪力墙的抗震性能，对1个1/3缩尺的双层两边开

缝竖向波纹钢板剪力墙试件进行了低周往复加载拟静力试验．该试件的波纹墙板按

照剪切屈服先于屈曲的原则设计，边框按照能力设计法原则进行设计，具体试件尺

寸如图1所示．墙板厚度为3mm，波形参数如图2所示，顶梁和底梁截面选用

H300×200×14×16，中梁选用H200×150×14×16，边柱选用

H200×200×14×16．墙板两侧与边框柱留有宽25mm的缝隙，相当于约3%的

开洞率，墙板与边框梁通过沿波纹边缘布置分段角钢代替鱼尾板焊接相连．为实现

“强框弱墙”的设计理念，边框梁柱采用Q345等级钢材，墙板选用Q235等级

钢材．试件屈服前采用荷载控制加载，每级循环一圈；试件屈服后改用位移控制，

每级循环两圈．

1.2.1试验过程及破坏现象

当荷载至±800kN之前试件滞回曲线基本呈直线，之后两层墙板均开始出现屈服

现象，结合应变片数据判定荷载达到1000kN时，墙板开始出现材料屈服．当荷

载至1100kN时，试件侧移角接近0.5%(H/200)，滞回环开始逐渐展开，判定试

件已经屈服，加载模式改为位移加载．

当侧移角至0.75%(H/133)时，两层墙板的角部先后交替出现局部屈曲，但墙板自

由边仍保持平直．当侧移角至1.5%(H/67)时，墙板应变片数据仍显示材料屈服状

态，开始观察到墙板轻微的整体鼓曲变形，但结构整体性能仍无明显改变．侧移角

至2%(H/50)时，墙板整体鼓曲变形渐趋明显，但相比平钢板剪力墙试验中墙板明

显面外变形及巨大鼓曲声响，波纹墙板鼓曲变形更为缓慢且不伴随巨大鼓曲声响，

属于弹塑性鼓曲范畴，也未造成滞回曲线捏缩．

侧移角至2.5%(H/40)时，中梁翼缘盖板与柱翼缘连接处对接焊缝开始撕裂，造成

了荷载的下降．侧移角至3%(H/33)时，中梁翼缘盖板与边框柱翼缘连接的焊缝完

全撕裂，荷载进一步下降．墙板塑性变形进一步发展，且逐渐在反复弯折位置及角

部出现撕裂，一层柱底外翼缘亦开始出现局部塑性变形，到4%(H/25)侧移角时停

止加载．

试件的受力全过程呈现出良好的延性和变形性能，屈服破坏的顺序为内嵌板首先屈

服并耗散大量能量，随后中梁梁端逐渐屈服耗能，最后边柱底屈服耗能直至柱底出

现较大塑性变形．由于梁端焊缝在侧移角为2.5%(H/40)时开始撕裂，导致试件最

大侧移角为4%(H/25)，若焊缝撕裂延缓则最大侧移角将进一步提高．试件破坏形

态如图3所示．

1.2.2荷载-位移曲线

试件的侧向荷载-侧移角的滞回曲线及骨架曲线如图4所示．由图可知，试件具有

良好的滞回性能，且推拉基本对称．在达到峰值承载力之前，滞回曲线前一级滞回

环基本被包络在后一级滞回环之内，体现出了稳定的承载力及刚度性能．侧移角为

2.5%(H/40)时试件达到峰值承载力，梁端翼缘盖板处焊缝开始撕裂后承载力下降，

侧移角为3%(H/33)时完全撕裂．之后侧向力主要由波纹墙板抵抗，承载力下降速

率变缓且渐趋稳定，结构整体滞回环依然饱满，在侧移角为4%(H/25)试验停止时

承载力仍为峰值承载力的60%以上，说明了波纹墙板具有良好的承载能力、滞回

耗能能力及延性．若梁端焊缝撕裂延缓，边框架及整体结构将会具有更优异的抗震

性能．

1.2.3墙板应力发展

一层波纹墙板的应变花布置如图5所示．根据应变花数据计算[15]所得的Von-

Mis应力曲线见图6，墙板除自由边中部R5外均能达到材料屈服，R5的最大

应力为屈服强度的70%．墙板内部各位置应力发展速率较为均匀，下部比上部应

力发展稍块，自由边中部发展最慢．侧移角为0.5%(H/200)时各位置应力状态见

图7，远离自由边的墙板中部以均匀剪切承载方式至屈服，而自由边附近轴向应力

较大．由于缺少板边约束构件，两侧部分墙板充当中间墙板的约束区以传递剪力，

从而引起轴向应力．

利用有限元分析软件ABAQUS[16]对试件进行精细有限元数值模拟，不仅可检验

模型的准确性以便后续参数分析，还可进一步了解两边连接竖向波纹钢板剪力墙的

受力特性、抗侧模式及破坏机理．

试件有限元模型如图8所示，约束柱底节点各方向自由度及侧撑位置节点的面外

位移，将梁端加载板耦合至形心处进行水平加载．各构件均采用S4R单元，钢材

本构模型采用材料试验测量计算的真实应力-应变曲线．为模拟加工和运输安装过

程中的初始缺陷，将模型弹性屈曲分析所得整体屈曲模态按最大幅值为的初始几何

缺陷[17]施加于非线性推覆分析中，推覆分析采用Riks分析法．

图9对比了有限元分析及试验所得滞回曲线，表明有限元结果吻合良好．由于试

验过程中试件与侧撑间有1cm左右的空隙，侧移较大时试件发生了轻微的面外扭

转，与侧撑接触摩擦，因此有限元所得承载力略低于试验值．有限元滞回曲线相比

于试验曲线略微饱满，下降更为缓慢，主要由于有限元为理想边界条件，且未体现

钢材撕裂的影响．总体而言，有限元模型能较好地模拟试件的滞回性能．

为进一步了解试件抗侧机理，弥补应变测点有限及数据不稳定的缺陷，对有限元分

析中墙板应力发展进行分析．图10(a)为侧移角为0.3%(H/333)，墙板开始出现材

料屈服时的Von-Mis应力分布，墙板中部应力分布较为均匀，自由边中部应力

较小，墙板中部与四角均开始屈服．图10(b)为侧移角约为0.5%(H/200)时的应力

分布，墙板中部区域和四角均已显著屈服，但墙板自由边有接近于“半圆状”的未

屈服区域．虽然此时边框梁柱仍处于弹性，但结构荷载-位移曲线已出现了明显拐

点，墙板承载力几乎达到极限值，该承载过程与试验一致．图11为侧移角

0.5%(H/200)时墙板的主应力分布，有限元结果与试验结果一致，即墙板中部以剪

切方式承载，而自由边附近轴向应力较大，上下部分别以拉压方式传递墙板中部的

剪力至上下边框梁．

采用验证过的有限元模型进行参数分析，不考虑焊缝断裂等非理想破坏情况．由于

滞回分析耗时冗长，为提高计算效率，参数分析部分采用非线性推覆分析，钢材采

用理想弹塑性本构模型．

分别对竖向波纹墙板、横向波纹墙板、平墙板及理想屈曲约束(约束墙板面外位移)

的平墙板进行了四边连接模型及两边连接模型的对比分析．框架几何尺寸及板厚与

试验相同．不同类型的四边连接钢板剪力墙结构的荷载-位移曲线如图12(a)所示，

不同类型的两边连接钢板剪力墙结构的荷载-位移曲线如图12(b)所示．

由图12(a)可见，四边连接结构中，平钢板剪力墙最早表现出非线性行为，这是由

于墙板较早发生了弹性屈曲从而导致了抗侧刚度的下降，但由于后期拉力场的有效

发展，承载力仍较高；其余墙板均未发生弹性屈曲，在侧移角约为0.3%(H/333)

时墙板材料屈服，荷载-位移曲线出现拐点．之后横波板墙因波纹肋较长更易发生

弹塑性屈曲而承载力较低，其次为竖向波板墙，面外约束使得理想约束板未出现塑

性面外变形，加载后期仍未出现承载力下降．总的来说竖波纹钢板剪力墙最接近理

想屈曲约束钢板剪力墙的性能，波纹钢板剪力墙较平板墙相比初始抗侧刚度更高，

但横波纹钢板剪力墙由于墙板的塑性变形后期出现了承载力下降．

由图12(b)可见，两边连接对不同墙板类型的结构造成的影响明显不同．横波纹墙

板与柱断开连接后几乎失去了侧向承载力，该结构与纯框架模型的荷载-位移曲线

几乎相同．两边连接竖向波纹钢板剪力墙及两边连接理想屈曲约束钢板剪力墙的承

载过程仍十分相似，其结构整体承载力较四边连接相比下降近10%，墙板承载力

较四边连接相比下降16%左右，而开缝带来的墙板面积损失仅为3%，可知即使

完全限制墙板面外变形，两边连接时墙板仍无法完全发挥其承载力．由图13所示

两种墙板在1%(H/100)侧移角时的应力状态可知，自由边附近低效抗剪区的存在

使得墙板材料未充分利用．两边连接平钢板墙结构承载力下降约为20%，墙板承

载力下降更为明显，高达42%．因此，竖向波纹墙板相比平墙板更适合两边连接

的形式，两边连接竖向波纹钢板剪力墙具有良好抗侧性能，而横向波纹墙板若与柱

断开连接将严重影响其性能，工程中若需布置门窗洞口需谨慎处理，加设足够的补

强措施．

自由边附近低效抗剪区的存在使得墙板材料无法充分利用，因此，在两侧设置板边

约束构件传递墙体内部剪力，将有望提高墙板的整体抗剪效率．

竖向波纹墙板均匀受剪的简化计算模型见图14．假设板边约束构件能完全传递板

边剪力，所需最小截面积As可按式(1)计算．对采用不同截面积(0.5As、As、

1.5As、2As)板边约束构件的两边连接竖向波纹钢板剪力墙模型进行推覆分析，所

得荷载-位移曲线如图15所示．约束构件截面为长方形，宽度均取为100mm，仅

改变厚度．

式中：Ns为所需轴压强度；ty为墙板钢材剪切屈服强度；tp为墙板厚度；Hp为

墙板净高度；Lp为墙板净宽度；fy,s为板边约束构件的材料屈服强度．

由图15可知，加设板边约束构件可有效提高结构初始刚度和极限承载力，除

0.5As外，其它模型相比四边连接结构承载力仅下降2.2%，小于墙板开洞率

3%．板边约束构件截面积达到最小值As时可有效提高墙板承载效率，进一步增

加截面积的作用较小．

在边框跨度不变情况下，将两边连接竖向波纹墙板两侧的洞口宽度逐渐增加，则墙

板宽度逐渐由1750mm下降至1500mm、1200mm、900mm．非线性推覆分

析的荷载-位移曲线如图16所示．结合图17中各模型墙板、边框及结构整体抗侧

刚度和承载力的对比可知，墙板与结构整体初始刚度和承载力均与墙板宽度呈线性

变化，墙板宽度对边框影响较小.

两边连接形式除可自由调整墙板宽度外，亦可灵活调整墙板的跨内布置．因此墙板

宽度为1200mm时，分别考虑如图18所示墙板偏左、居中、偏右和中分4种布

置，推覆分析的荷载-位移曲线如图19所示．对比可知除中分布置的模型刚度略

低外，各模型的承载能力基本一致，即跨内位置对抗侧性能的影响很小，可根据需

求自由调整．

竖向波纹钢板剪力墙可解决平墙板在重力荷载下易屈曲的问题，从而可避免需等待

边框构件全部安装完成后方能安装墙板的施工延迟问题[10]．由于竖向波纹墙板轴

向刚度较大，板框同步施工将使得墙板自身相应承担部分竖向荷载．为了解竖向荷

载对其性能的影响，分别在框架柱顶施加柱轴压比为0.1、0.2、0.3、0.4的竖向

荷载进行静力分析(轴压比按式(2)计算)，然后进行非线性推覆分析．虽然竖向荷载

不同，墙板所承担竖向荷载的比例均为15.5%，仅与边框与墙板的竖向刚度比有

关．推覆分析荷载-位移曲线如图20所示，对比可知，不同竖向荷载对结构的前

期承载(侧移角＜1%(H/100)时)影响很小，主要影响峰值承载力及下降趋势．由无

竖向荷载增加到0.4轴压比时，结构极限承载力下降约10%．图21给出竖向荷载

增加对墙板及边框架侧向力下降比例的影响．由于竖向荷载的85%由框架柱承担，

竖向荷载对墙板承载力影响较小，而主要影响边框承载力．

式中：μc为柱轴压比；Pc为施加于柱顶的竖向荷载值；fy,c为边柱钢材屈服强度；

Ac为边柱截面积．

(1)两边连接竖向波纹钢板剪力墙试件具有较高的抗侧刚度、承载力和延性，其滞

回曲线饱满，展现了良好的抗震性能；墙板在材料屈服前未出现屈曲现象，克服了

平钢板剪力墙在承载过程中较大屈曲声响和面外变形的问题，提高了建筑的舒适性．

(2)当未设置板边约束构件时，相比四边连接的情况，两边连接竖向波纹钢板剪力

墙承载力仅下降近10%，而两边连接平钢板剪力墙承载力下降达20%．两边连接

横向波纹钢板剪力墙的墙板几乎完全失去承载力，工程中若需布置门窗洞口则需谨

慎处理，加设足够的补强措施．

(3)当未设置板边约束构件时，两边连接竖向波纹墙板自由边附近低效抗剪区的存

在使得墙板材料未得到充分利用，设置板边约束构件可提高墙板的整体抗剪效率，

从而达到与四边连接时相同的承载力．为此，提出了板边约束构件的最小截面积公

式．

(4)两边连接竖向波纹钢板剪力墙的初始抗侧刚度和承载力均与墙板宽度呈线性关

系，而受墙板布置位置的影响较小，因此设计人员可根据建筑功能和结构性能需求

自由调整墙板宽度及跨内布置．

(5)两边连接竖向波纹钢板剪力墙的初始刚度基本不受竖向荷载影响，但峰值承载

力有所降低(0.4轴压比时约下降10%)，后期下降更快，且竖向荷载对墙板承载力

影响较小，主要影响边框的承载能力．

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