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梁截面尺寸对联肢开缝钢板有何影响，如何用正交试验法进行分析？

文|玉沙粼

编辑|玉沙粼

●—≺ 前言 ≻—●

本文将以此模型为原型结构对联肢开缝钢板墙抗震性能的影响因素进行分析。

实验将用正交试验法对连梁尺寸、墙板厚度、开缝形式、耦连比四个因素影响的联肢开缝钢板墙进行变参建模。

然后通过对比各项抗震性能指标来分析各影响因素对抗震性能的影响程度，并对联肢开缝钢板墙的正交分析结果进行总结。

●—≺ 正交试验法模型尺寸设计≻—●

在对参数过多的模型进行变参分析时，传统的变参分析法需要建立大量的多参数多水平模型，使研究过程过于繁琐，操作复杂，所得到的结果冗多，一些情况下难以分析。

因此，本文采取另一种方交试验法进行变参分析。

这种方法适合多影响因素试验分析，其原理是利用正交表将各影响因素的不同水平组合模型中，挑选出具有代表性的模型进行研究来了解各个影响因素对模型的影响程度，从而得到各影响因素的最优水平组合。

这种方法的优势在于用对部分模型的研究替代了对全部模型的研究，适合多影响因素模型的研究分析。

为研究连梁截面尺寸对联肢开缝钢板墙的影响，保持其他构件尺寸与原型结构相同，只改变连梁的腹板高度。

根据区分以弯曲变形为主的连梁和以剪切变形为主的连梁的方法，下述模型的连梁均为以剪切变形为主的连梁。

A-0.4模型表示所分析的影响因素为A因素，耦连比为0.4的模型，以此类推。

为研究开缝形式对联肢开缝钢板墙抗震性能的影响，其他构件尺寸与原型结构保持相同，只改变开缝形式这一个因素。

为研究墙板厚度对联肢开缝钢板墙抗震性能的影响，保持其他构件尺寸与原型结构相同，只改变墙板厚度这一个因素。

为研究连梁截面尺寸对模型抗震性能的影响，用ABAQUS有限元软件对各模型进行了滞回加载，添加初始缺陷的方法和位移加载制度，根据滞回加载的结果提取各项抗震性能指标进行对比分析。

最后根据上述所得结果，将连梁截面尺寸对联肢开缝钢板墙抗震性能的影响进行总结分析。

联肢开缝钢板墙各滞回曲线比较饱满，连梁截面尺寸越小，滞回曲线越像梭形，A-0.4滞回曲线相对最饱满，模型耗能能力良好，这是由于连梁尺寸小，在滞回加载过程中充分屈服消耗能量。

但此时模型承载力较小，A-0.4模型最大承载力在6000kN左右，刚度也较小，这是由于连梁较弱，对结构整体强度和刚度的贡献较小，无法大幅度提升结构的承载力和刚度。

模型在位移角达到3%左右时达到极限承载力，之后在大位移角时承载力缓慢下降，延性良好。

当模型连梁截面尺寸增大时，最大承载力相较小连梁截面尺寸模型大幅提升40%以上，如模型A-0.5最大承载力达到8500k以上，连梁截面尺寸越大，模型整体刚度和强度增大，模型的承载力就越高。

但滞回曲线后期下降快，呈现出反S形，加载到4%、5%大位移角时刚度和承载力衰减幅度较大，如模型A-0.6加载到5%大位移角时承载力下降30%左右。

这是由于连梁截面尺寸增大，相同位移角下框架承受的荷载增加，框架柱轴力过大破坏时间提前，使模型后期承载力大幅度下降。

随着连梁截面尺寸继续增加，联肢开缝钢板墙的最大承载力提升速度减缓，A-0.7模型最大承载力与A-0.6模型最大承载力相差不大，均在11000kN左右。

这是由于连梁截面尺寸过大，没有充分屈服发挥连梁的承载能力，因此模型整体承载力提升程度小。

通常取滞回曲线的最外围轮廓作为模型正反向的骨架曲线。

将各模型的骨架曲线从滞回曲线中提取出来放入同一张图中进行对比，然后将骨架曲线中的关键数据进行提取，联肢开缝钢板墙的延性系数等于屈服点位移与破坏点位移之比。

联肢开缝钢板墙的连梁截面尺寸越大，结构屈服位移越小：A-0.4、A-0.5、A-0.6、A-0.7模型屈服位移角分别为1.16%、1.08%、1.06%、1.01%。

这是由于连梁越强，结构整体刚度越大，结构的变形能力下降，在小位移角处就达到屈服。

联肢开缝钢板墙的最大横向荷载与连梁截面尺寸呈正相关关系。

随着连梁截面尺寸的增加结构的最大横向荷载大幅提高，如相比于A-0.4时的最大横向荷载6339kN，A-0.5的最大横向荷载为8675kN增长了37%。

这是因为连梁截面尺寸的增大，使连梁对两侧墙体的剪力作用增强，作用在两侧墙体的剪力在墙肢底部形成的抵抗力矩越来越大，提高了联肢开缝钢板墙的承载能力。

但当连梁截面尺寸过大时，结构的最大横向荷载增长速度减缓，比如相比于A-0.6时的最大横向荷载9739kN，A-0.7的最大横向荷载为10745kN只增长了10%。

这是由于连梁截面尺寸过大时连梁尺寸过大，塑性发展不充分，无法为结构提供更高的承载力，因此结构最大横向荷载增长幅度不大。

当连梁截面尺寸较小时，模型的延性较好，A-0.4延性系数为3.87，但模型强度较低；当连梁截面尺寸中等时，模型最大横向荷载值大幅增加，延性系数有所减小。

这是由于连梁截面尺寸越大，结构耦连作用越强，延缓了两侧墙肢的破坏，综上所述，联肢开缝钢板剪力墙结构的变形能力较好，延性系数均大于3.5，部分模型如模型A-0.7可以达到4以上。

●—≺ 刚度退化≻—●

滞回加载过程中联肢开缝钢板墙刚度随着位移增大会逐渐减小，联肢开缝钢板墙结构的刚度退化对于结构具有重要意义，其映射了结构的破坏程度及破坏规律，是结构各部分屈服的出现与开展、材料塑性变形发展的充分体现。

所有模型刚度退化速度递减：各模型在各构件均未屈服之前刚度均较大，但由于墙板为开竖缝墙板，屈服时间较早，所以早期刚度就有所下降。

之后随着连梁和框架的屈服，模型的刚度迅速衰减，当框架柱完全屈服后，各模型的刚度继续降低，但此时降低的速率明显减慢。

可见联肢开缝钢板墙屈服后抗侧性能良好，是一种优良的抗侧结构，模型A-0.4的初始刚度是最终刚度的6.15倍，模型A-0.7的初始刚度是最终刚度的10.11倍。

说明连梁截面尺寸越小，刚度减小的趋势越慢，连梁截面尺寸与刚度退化速度呈负相关，这是由于连梁截面尺寸大的模型初始刚度较大且退化快。

连梁截面尺寸的增大，可以提高模型的初始刚度，如模型A-0.4、A-0.5、A-0.6、A-0.7初始刚度比值为1:1.6:1.8:2.2。

连梁截面尺寸越大，模型的初始刚度就越大，这主要是因为连梁截面尺寸的增大降低了两侧墙体承受弯矩的比例，使墙肢可以承受更大的横向荷载，从而提高了模型的刚度。

联肢开缝钢板墙结构的耗能能力是用来评价其抗震性能的通用准绳。通常用等效粘滞阻尼系数he来衡量。

经计算，联肢开缝剪力墙不同连梁模型的各加载级粘滞阻尼系数，耗能量也能直观反应联肢开缝钢板墙模型的耗能能力，将同一模型各加载级所耗散的能量进行对比。

各联肢开缝钢板墙模型的等效粘滞阻尼系数均较大，说明联肢开缝钢板墙模型的耗散能量能力较好。

这是因为相对于普通钢板墙，联肢开缝钢板墙增加了缝间细柱端部形成塑性铰耗能和连梁形成塑性铰耗能的机制，两者使结构的耗能能力增强。

各模型的等效粘滞阻尼系数的值在加载过程中逐渐增加，如A-0.4模型逐渐从0.001提高到0.261；A-0.7模型逐渐从0.001提高到0.295。

这是由于结构构件不断进入塑性，墙板上缝间肢端、连梁端部、框架各端部等塑性铰不断发展，残余变形愈来愈大，因此耗能能力不断提升。

不同连梁截面尺寸的联肢开缝钢板墙模型的消散能量性能具有差异性。

主要表现为，随着连梁截面尺寸的增大，等效粘滞阻尼系数he有逐渐变大趋势，如最后一级加载时，A-0.4、A-0.5、A-0.6、A-0.7模型的等效粘滞阻尼系数he分别为0.261、0.268、0.284、0.295。

这是因为随着连梁截面尺寸的增加，连梁对结构的贡献程度稳步提升，因此模型耗能能力愈来愈好。

连梁截面尺寸的增大，使联肢开缝钢板墙的总耗能量得到显著提高，耗能总量均随着连梁截面尺寸的增大而递增，连梁截面尺寸越大，耗能能力愈强。

这是由于随着连梁截面尺寸的提升，结构整体刚度强度得到增长，因此模型耗能能力愈来愈好。

为了分析联肢开缝钢板墙结构的各构件屈服顺序和屈服后塑性发展状况，以及结构整体的破坏机理和破坏形式，同时找出连梁截面尺寸对于结构的影响规律。

可以看出A-0.7模型为“开缝墙板-连梁--框架外柱-框架内柱”的构件屈服顺序,当位移角加载到0.23%时开缝墙板就开始屈服，屈服时间较A-0.4、A-0.5、A-0.6更早。

是由于A-0.7模型连梁尺寸更大结构刚度更强，较低位移角时承受更多横向荷载，使开缝墙板屈服时间进一步前移。

位移角加载到1.21%时连梁开始屈服，屈服时间较A-0.4、A-0.5、A-0.6模型明显延后，这是由于连梁尺寸更大刚度值增长幅度大，屈服较晚。

位移角加载到2.81%时框架外柱开始屈服，屈服时间较较A-0.4、A-0.5、A-0.6模型明显延后，结合前文对延性的研究分析，A-0.7模型延性良好，因此外柱破坏时间较晚。

●—≺ 结语 ≻—●

本文对不同影响因素的模型进行了滞回加载，分析了该影响因素对各模型抗震性能的影响。

为了对比各个影响因素对联肢开缝钢板墙抗震性能影响程度的差异性，并得到最主要的影响因素。

现将上述A、B、C影响因素的模型汇总在一张正交分析表中进行综合对比，由于上述各因素的改变会引起耦连比的改变，因此将耦连比作为影响因素D参与分析。

本文主要对比了各影响因素对模型的承载力、延性系数、耗能量、构件塑性铰发展四项性能的影响大小，采用正交设计模型进行综合分析，得到最主要的影响因素。

参考文献：

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——会宁县2019年普通高考本科提前批、本科一批录取榜示

（未完待续）

来源 会宁教育

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