当前世界环境

介绍

近年来，由于城市开发和建设的增长，引起地震问题，许多具有自己特征的地震系统用于控制横向载荷。对横向载荷的抗蚀系统的选择取决于负载，结构行为，重力负荷的传导，地理区域，施工方法，结构几何形状，规定限制，最大位移等的组合。已经提出和应用了许多结构系统例如，时刻框架系统，不同类型的支撑系统，剪力墙（包括混凝土，钢和复合材料），使用阻尼器的主动和无源控制系统，或在无辅导的砌体建筑中抵抗系统。在地震期间，刚度，强度，延展性，能量吸收和系统适当的行为是选择结构地震系统的最重要参数之一。除了具有高刚度和强度之外，研究人员始终寻找理想的系统来抵抗横向载荷;它还具有高延展性和能量耗散。

剪力墙是近年来引起许多研究者和工程师关注的一种抗侧向荷载体系。这个系统是由垂直钢板加密连接到周围的梁、柱,并安装一个或多个海湾的全高度结构形成一个悬臂墙(图1)。这个系统是用于钢铁建筑大约四十年前,因为高刚度和延性,合适的能量耗散,与其他系统相比，施工速度和结构重量下降，使用趋势正在增长。与弯矩框架相比，它们的使用在建筑中节省了大约50%的钢材(Astaneh-Asl, 2001)。

图1:左:执行钢剪力墙。右图:钢剪力墙示意图(带或不带加强筋) 点击这里查看图

钢板剪力墙执行简单，系统没有特别的复杂性，因此，工程师、技术人员和技术工人凭借他们的技术知识，不需要学习新的技能，就可以执行该系统。钢结构的工作精度在传统精度的水平，考虑到这一点，执行安全系数将比其他系统高得多。由于它的简单性和在工厂组装和现场安装的可能性，系统执行速度高，执行成本将大大降低。在钢板剪力墙体系中，由于材料和连接的膨胀，其受拉变形比框架、支撑等一般材料分类、连接集中的抗震体系好得多，体系性能尤其在塑性区更为合适。

钢板剪力墙结构及其研究

对钢板剪力墙体系的学术和实验室研究始于上世纪70年代，并在一些发达国家的重要建筑中得到了应用。最初，在1970年，钢剪力墙在日本的新建筑中被使用，它们也被用于美国现有建筑的抗震改进(Astaneh-Asl, 2001)。在某些情况下，钢剪力墙被混凝土覆盖，形成一种组合剪力墙。已采用钢剪力墙的重要建筑物和本案例的研究包括:

日本

Nippon（1970年），20层楼的办公楼和新宿野村，在东京和市政厅35层楼的高层建筑使用钢剪切墙建造（Astaneh-Asl，2001）。1973年，Takanashi在单层钢剪力墙上进行了第一个重大研究。实验结果表明样品具有延性行为。测试结果与纯剪切中的von-mises达成良好一致。他还对两层钢剪力墙的两个样品进行了实验，并且在日本塔的设计中使用了实验结果。在这些情况下，测试结果非常接近Von-Mises理论公式的结果。研究人员得出结论，板梁的规则和理论公式可用于获得钢剪切墙的刚度和强度（Takanashi等，1973）。在1996年日本的图里等人使用“低产点钢”研究了钢剪力墙性能，将其用于日本的一些塔楼。该研究的结果用于Yamaguchi（1998）塔的设计和建设（Torii等，1996），（Yamaguchi等，1998）。

美国

德克萨斯州达拉斯的凯att Regency 30层，加利福尼亚州洛杉矶的Sylmar 6层医院，加利福尼亚州旧金山的世纪52层住宅楼，华盛顿州西雅图的联邦法院23层，加强俄勒冈州图书馆混凝土楼，查尔斯顿的医疗保健大楼，H.C.Moffit 16层医院，在建筑中使用了钢剪力墙(Astaneh-Asl, 2001)。Elgaaly和Caccese在1993年在单调和循环荷载下进行了广泛的试验。他们宣称，如果使用相对较厚的钢板来建造墙体，系统阻力将与系统不稳定有关，系统不稳定是由各自柱的屈曲引起的，并且系统阻力不会因为增加钢的厚度而发生很大变化(Elgaaly等人，1993)。1998-2022年，伯克利大学的Astaneh-Asl和Zhao教授在一系列的实验室调查中研究了钢和组合剪力墙在循环荷载作用下的抗震性能，并提出了设计系数(Astaneh-Asl, 2001)。Behbahanifard在2003年对一层梁上翼缘发生破坏的三层模型进行了数值和实验研究。试件具有较高的弹性刚度、延性、耗能能力和迟滞回线稳定性。在数值模拟中，证明了板的初次缺陷对剪力板刚度有重要影响，而对剪力板承载力的影响可以忽略不计。他指出，重力荷载的增加会降低刚度、倾覆力矩、抗剪能力和延性(Rezai et al.， 1999) (Behbahanifard et al.， 2003)。

加拿大

在魁北克省魁北克州甘蔗群建筑的建设中，使用钢剪力墙抵抗系统。Timler和Kulak于19883年在没有加强筋的两层钢剪力墙标本上进行了一些测试（Timler，P. A等，1983）。结果表明，该系统的高延展性和强度，同一年的Thorbun等人基于该测试结果，建议确定拉伸场倾斜角度的等式，并控制具有一些实验的精度（Timler，P. A等。1983年）。Driver等人于1996年和1998年在循环载荷下测试了一个4层楼的钢剪切墙样本。虽然样品破裂不是因为产生钢板并且由于柱脚下的应力浓度而实际发生，但壁的滞后响应曲线意味着大约1.3和延展性系数超过6的额外电阻系数（驱动器RG等，1998）．

欧洲

在使用该系统建造的建筑中，德国勒沃库森的Byer-Hochhaus 32层建筑是可以提及的。同样在1992年，来自英国的萨布里-戈米和罗伯茨等研究人员研究了有或没有开口的钢剪力墙。这些试验系列的另一个有趣的结果是研究开孔对剪力墙刚度和强度的影响(Sabouri-Ghomi et al.， 1992)。

2001年至2012年，伊朗Amirkabir大学的研究人员对钢和复合剪力墙的性能进行了数值和实验研究。在本研究中，对碳纤维聚合物复合剪力墙体系进行了广泛的数值和实验研究，并采用224个数值模型研究了碳纤维聚合物复合剪力墙的性能。此外，还介绍和概述了一种新的配板钢板剪力墙体系(Hatami et al.， 2005)。

纤维增强聚合物

在结构加固的创新和技术中，FRP(纤维增强聚合物/塑料)具有特殊的作用，一些专家认为，FRP应被称为第三个千年建筑材料。除了使用这些材料来加固混凝土结构外，在过去的十年中，已经有人认真地提出将它们用于加固钢结构。聚合物复合板是由两部分组成的材料:聚合物纤维和树脂。聚合物纤维沿其长度的极限强度太高，它们包括:碳、玻璃和凯夫拉尔。树脂是纤维持有人和运输负荷和防止开裂的结构。树脂通常由环氧树脂、聚酯等制成。收集的纤维和树脂做一个板称为Lamina(琼斯，1999)。

由于其独特的特性，例如与重量相比，这些复合材料的强度高，重量轻(约为钢的20%)，与钢和混凝土相比，具有高的耐腐蚀性，绝缘的电场和磁场，易于运输和存储，使用这些复合材料作为外部加强的技术，该结构在执行时的不干扰和使用不便，受到了特别的重视，并在工程师面前打开了一个新的窗口。另一方面，这些技术由于实施迅速和成本低而具有特殊的吸引力。这些性能可以有效地改善组合钢剪力墙的强度、刚度、延性和吸能特性。为了研究这些情况，我们用ANSYS有限元软件进行了数值研究，本文将对此进行详细讨论。

软件建模

在本文中,为了分析样品的非线性方法,使用ANSYS有限元软件,和为了信任建模精度钢剪力墙与纤维聚合物,合成一个实验测试的结果,其几何在图2中,建模和分析软件。这是梁和柱的型材:2IPE200+2PL150*12

该试验在AmirKabir大学进行，它来自Farzad Hatami (Hatami et al.， 2005)对组合钢剪力墙性能进行的一系列研究。

图2 A:模型几何形状B:实验试验结果图C:数值模拟图 点击这里查看图

通过对荷载-位移图的比较，表明该模型具有较高的精度。然后是具有实际尺寸和不同纤维方向的模型。

样品的介绍;通过对有限元建模结果的准确性检验，对2个钢剪力墙试件和12个玻璃纤维聚合物增强剪力墙(厚度为2毫米)进行了不同方向的建模，并进行了非线性分析。表1中有一些示例规范。所有型号的钢板厚度均为7毫米。样品梁和柱的规格以毫米为单位可在图3中观察到。

图3:梁和柱的尺寸(mm) (Jones, 1999) 点击这里查看图

表1:钢剪力墙模型试件几何特性

分析建模结果

剪力墙和配筋墙的比较:为了比较钢结构剪力墙和配筋结构剪力墙的性能，我们对两种常用钢结构剪力墙进行了建模和分析。然后我们将聚合物纤维覆盖层贴在钢板的两侧进行分析。图4为钢剪力墙与两侧2mm厚玻纤覆盖层加筋剪力墙的荷载位移对比图。从这些数字可以推断出有价值的信息。

图4:A: 3*5试件荷载位移图。 B: 3*6试件荷载位移图 点击这里查看图

通过对这些图的研究，可以看出，在没有横向位移极限的情况下，钢筋剪力墙的承载力会增加，而钢剪力墙则完全处于弹塑性状态。图中以条形图绘制了试件的5 ~ 8个抗震参数，并将钢剪力墙参数与GFRP (2mm厚)加筋墙参数进行了对比。

图5吸收能量条形图 量和CSSW。 点击这里查看图

图6:塑性条形图 量和CSSW 点击这里查看图

图7:的刚度柱状图 量和CSSW。 点击这里查看图

图表的比较表明，增强钢剪切壁的延展性（对于所有样品几乎相等）总是小于没有加强的延展性。玻璃聚合物覆盖刚度，剪切能力和能量吸收。玻璃聚合物覆盖量增加样品的剪切能力，但聚合物盖对常用钢的剪切容量的影响比具有低碳钢的系统多。聚合物覆盖层对钢筋剪力墙的阻力系数影响不大。样品刚度将通过聚合物覆盖增加，但这种增量受到跨度长度的影响，换句话说，随着跨度的增加，其上升率将更高。

跨度长度对试件行为的影响研究:随着面板跨度的增大，面板长细度增大。钢剪力墙和配筋剪力墙的性能也受到长细比的影响。图9绘制了不同跨度钢剪力墙的荷载-位移图。从这些图中可以看出刚度、能量吸收等的变化。为了对地震参数随跨比变化的变化进行数值比较，绘制了柱状图。

图9：A：钢剪力墙的负载 - 不加强焊接 B：钢筋剪力墙的负载 - 位移图。 点击这里查看图

配筋钢剪力墙荷载-位移图

由图9的结果和分析图可以看出，跨长增大对钢剪力墙的强度系数和延性影响不大，但对加筋剪力墙的延性提高了12%。跨长增加对能量吸收和抗剪能力的影响最大，分别提高了近50%和30%。

纤维取向的研究:纤维取向对加筋剪力墙性能影响的实验研究尚未开展。图10为纵向和横向纤维取向的钢筋剪力墙抗震参数图。这些图表是在对样本求平均后绘制的。

图10:A: 3*5样品吸收能量。 B: 3*6样品的吸收能量 点击这里查看图

值得注意的是，在60度角时，能量吸收略有增加(2- 4%)，在90度角时，能量吸收减少约15%，在30度和45度角时，能量吸收作为钢材料和跨度的函数发生变化。在30度角，跨度从5米增加到6米，能量吸收从7%增加到13%，但45度角，跨度5米，能量吸收增量是13%，跨度6米，能量吸收增量是7%。

图11 A: 3*5试样刚度。 B: 3*6试样刚度 点击这里查看图

从图11可以看出，双侧和普通纤维加筋剪力墙的刚度受纤维取向、跨长和钢种的影响。图12给出了钢筋剪力墙的延性图。

图12 A: 3*5试样延性。 B：3 * 6样品的延性 点击这里查看图

力修正系数计算:将加筋剪力墙模型和普通钢剪力墙模型平均后，力修正系数如表2所示。

表2:加筋与普通钢剪力墙的平均力修正系数

结论

本文研究了纤维聚合物加固钢剪力墙在不同角度下的抗震性能，并用非线性方法分析了一些抗震参数估计模型，结果如下:

• 结果表明，在不存在侧向位移极限的情况下，钢筋剪力墙的承载力会增加，而钢剪力墙则完全处于弹塑性状态，这表明纤维在改善体系的抗震参数和性能方面具有优势。因此，聚合物覆盖层会增加刚度、抗剪能力和能量吸收。
• 但聚合物纤维会引起剪力墙的刚度、抗剪能力和能量断裂的增加，但加筋剪力墙的延性始终小于未加筋剪力墙。
• 聚合物覆盖层对钢筋剪力墙的阻力系数影响不大。聚合物覆盖会增加试样的刚度，但这一增量受跨度的影响，即随着跨度的增大，其上升速率也会增大。
• 跨长增加对钢剪力墙的强度系数和延性影响不大，但可使配筋剪力墙延性提高12%。跨长增加对能量吸收和抗剪能力的影响最大，分别提高了近50%和30%。
• 值得注意的是，在60度角时，能量吸收略有增加(2- 4%)，在90度角时，能量吸收减少约15%，在30度和45度角时，能量吸收作为钢材料和跨度的函数发生变化。30度跨度从5米增加到6米，能量吸收从7%增加到13%但45度跨度5米，能量吸收增量是13% 6米，能量吸收增量是7%
• 两侧有纤维的加筋剪力墙的抗剪承载力比不同角度的纤维高10%。

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