1、第 21 卷 第 1 期2023 年 2 月福建工程学院学报Journal of Fujian University of TechnologyVol21 No1Feb 2023doi:103969/jissn16724348202301005钢框架冷弯薄壁型钢组合墙体结构抗震性能有限元分析张铮，郭贺贺，林韩，陈笃海(福建工程学院 土木工程学院，福建 福州 350118)摘要:利用有限元软件 ABAQUS 对纯钢框架试件、冷弯薄壁型钢组合墙体试件、钢框架冷弯薄壁型钢组合墙体试件、覆双面 OSB 板的钢框架冷弯薄壁型钢组合墙体试件进行水平低周往复荷载作用下研究，分析了试件的滞回曲线、骨架曲线、抗
2、侧刚度、延性和耗能等。结果表明，钢框架与冷弯薄壁型钢组合墙体有明显的组合效应;冷弯薄壁型钢组合墙体能明显增强钢框架结构的承载力、刚度、延性和耗能能力;覆双面 OSB 板钢框架冷弯薄壁型钢组合墙体结构抗震性能较不覆板的钢框架冷弯薄壁型钢组合墙体结构抗震性能好。关键词:钢框架;冷弯薄壁型钢;墙体结构;有限元分析;协同作用;抗震性能中图分类号:TU3982文献标志码:A文章编号:16724348(2023)01002906Finite element analysis of seismic performance of steel frame-cold-formedthin-walled steel
3、 composite wall structureZHANG Zheng，GUO Hehe，LIN Han，CHEN Duhai(School of Civil Engineering，Fujian University of Technology，Fuzhou 350118，China)Abstract:The finite element software ABAQUS was used to study pure steel frame specimens，cold-formed thin-walled steel composite wall specimens，steel frame
4、-cold-formed thin-walled steel composite wall specimens，steelframe-cold-formed thin-walled steel composite wall specimens covered with double-sided OSB plates under hori-zontal low cyclic loading The hysteretic curve，skeleton curve，lateral stiffness，ductility and energy dissipationof the specimen we
5、re analyzed esults show that steel frame and cold-formed thin-walled steel composite wallhave obvious combination effect，cold-formed thin-walled steel composite wall can obviously enhance the bearingcapacity，stiffness，ductility and energy dissipation capacity of steel frame structure，and the seismic
6、performance of steel frame-cold-formed thin-walled steel composite wall structure with double-sided OSB plates isbetter than that of steel frame-cold-formed thin-walled steel composite wall structure without plateKeywords:steel frame;cold-formed thin-walled steel;wall structure;finite element analys
7、is;synergisticeffect;seismic performance收稿日期:20221102基金项目:福建省自然科学基金(2022J01927)第一作者简介:张铮(1978)，男，河南焦作人，教授，博士，研究方向:钢结构和新型结构体系。住宅建设工业化发展是各国共同追求的目标，同时也是我国现代化、工业化的组成部分1。传统的钢筋混凝土建筑结构，具有成本高、建造周期长、污染环境等一系列缺点，不符合我国建筑工业化和可持续发展的战略要求。随着冷弯薄壁型钢结构体系的发展，该结构体系与传统结构体系相比不仅具有自重轻、建造速度快、抗震性能好等优点，而且绿色节能环保更加符合中国国情2。目前，国内外
8、学者对冷弯薄壁型钢组合墙体研究较多，Kechidi3 采用 OpenSees 有限元软件对多层冷弯薄壁型钢墙体结构进行模拟，建立了结构的易损性曲线。胡健翔4 和夏祥5 研究了竖福建工程学院学报第 21 卷向荷载和设置斜撑对冷弯薄壁型钢组合墙体抗震性能的影响，发现一定的竖向荷载可以提高墙体的抗剪承载力，竖向斜撑可以改善墙体受力性能。江忠画6 对覆竹木碳纤维板的冷弯薄壁型钢墙体研究发现，覆板能有效提高结构的抗震性能。但是，对钢框架内嵌冷弯薄壁型钢墙体结构方面的研究较少，钢框架与冷弯薄壁型钢墙体之间的协同工作效应尚不清晰。本研究通过有限元分析软件 ABAQUS 建立钢框架冷弯薄壁型钢组合墙体等结构的
9、有限元分析模型，进行水平低周往复荷载模拟，为该类结构在实际工程中应用提供科学依据。1有限元分析11模型设计利用有限元软件 ABAQUS 建立纯钢框架结构SF1、冷弯薄壁型钢组合墙体结构 SF2、钢框架冷弯薄壁型钢组合墙体结构 SF3、覆双面 OSB 板钢框架冷弯薄壁型钢组合墙体结构 SF4 典型模型。钢框架模型尺寸3 060 mm 4 060 mm，框架柱规格 HW200 mm200 mm8 mm12 mm;框架梁规格 HM300 mm200 mm8 mm12 mm，框架梁柱节点采用栓焊混合连接。冷弯薄壁型钢组合墙体模型尺寸为 2 760 mm 3 660 mm，龙骨立柱间距 610 mm，冷
10、弯薄壁型钢厚度 12 mm，覆面板采用 9 mm 厚的 OSB 板，冷弯薄壁型钢和框架的钢材强度等级为 Q235B，钢框架与龙骨及墙面板与龙骨之间均采用 ST55 级自攻螺钉连接。模型设计如图 1 所示。图 1模型示意图(单位:mm)Fig1Schematic diagram of the model(unit:mm)12模型建立钢框架梁柱采用三维实体单元 C3D8 模拟，梁柱节点假定固接，绑定约束 Tie 连接。冷弯薄壁型钢采用壳单元 S4 模拟，冷弯薄壁型钢各杆件之间 Coupling 约束连接，忽略自攻螺钉的剪切滑移，即只约束连接点的平动自由度，放开转动自由度。试验过程中墙体与钢框架应始
11、终保持紧密连接，故冷弯薄壁型钢墙体与钢框架梁柱之间采用 Tie 连接。经试算，钢框架和 OSB 板网格密度为 50 mm 50 mm，冷弯薄壁型钢网格密度为03第 1 期张铮，等:钢框架冷弯薄壁型钢组合墙体结构抗震性能有限元分析20 mm 20 mm。试件的边界条件假定为固接，钢框架柱脚和冷弯薄壁型钢墙体下导轨采用 Tie 连接。加载时，约束框架梁或加载梁腹板面外位移以模拟侧向支撑。13材料属性(1)钢材本构。冷弯薄壁型钢的本构关系采用文献 7的钢材应力应变关系，钢框架按两折线弹塑性材料本构关系进行分析，屈服强度取235 MPa，弹性模量 E 取 206105MPa，泊松比为03。(2)OSB
12、 板本构。OSB 板简化成各向同性材料，各项数据采用文献 7 试验所得，弹性模量取4 166 MPa，抗拉强度取 1356 MPa，泊松比取 03。14加载方案加载时，设置两个分析步，第一个分析步在框架梁或加载梁上施加竖向荷载，第二个分析步在保持竖向荷载不变的情况下施加水平荷载。加载制度以 2 mm 为位移增量加载至荷载位移曲线开始出现非线性段，取此时加载位移为，分别以1、2、4、8、12、16 为位移增量进行加载，直至试件破坏。具体加载制度如图 2 所示。图 2加载制度Fig2Loading system15有限元分析模型的验证将有限元计算结果与文献 7 试验结果进行对比，荷载位移曲线对比如
13、图 3 所示。由图 3 可知，加载前期，试件处于弹性阶段，有限元计算结果与试验结果较为吻合;加载中期，试件进入弹塑性阶段，试验的滞回曲线出现捏缩，开始由梭形向反“S”形转变，而有限元计算的滞回曲线还较为饱满;加载后期，试件进入塑性阶段，试验滞回曲线产生较大的捏缩滑移，有限元滞回曲线只产生较小的捏缩变形。有限元计算结果图 3试件荷载位移曲线对比Fig3Comparison of load-displacement curves of specimens与试验结果产生误差的原因主要有，材料材性与真实材性的差异性、各构件之间连接的简化、有限元模型的理想性等。综上，有限元计算结果与试验结果整体较为吻合
14、，表明有限元建模和计算的正确性，在此基础上对该类结构进行详细分析。2有限元模拟结果及分析21荷载位移曲线滞回曲线是指循环荷载作用下结构抗力与变形之间的关系曲线，可以反映结构在循环荷载下的刚度、延性、耗能能力等力学性能。各计算模型的滞回曲线和骨架曲线如图 4、图 5 所示，由骨架曲线计算试件荷载位移特征值如表 1 所示。由图 4 和表 1 可知，加载前期，试件处于弹性阶段，滞回曲线呈线性变化;加载中期，试件滞回环愈发饱满，承载力持续提高，刚度缓慢下降;加载后期，试件仍具有较高的承载力和耗能。试件SF1 展现了纯钢框架结构良好的耗能和延性;试13福建工程学院学报第 21 卷件 SF2 作为单纯的冷
15、弯薄壁型钢组合墙体其承载力、刚度和耗能等抗震性能均较弱;试件 SF3表明钢框架和冷弯薄壁型钢组合墙体能够有效地协同工作，基本满足“1+1=2”的效果;试件 SF4与试件 SF3 相比仅为组合墙体覆板，但结构的承载力、抗剪强度提高了近 2 倍，抗侧刚度提高了近 3 倍，具有“1+12”的效果，可见钢框架内嵌的冷弯薄壁型钢组合墙体覆板与否对结构的抗震性能有较大的影响。图 4各试件的滞回曲线Fig4Hysteretic curve of each specimen表 1荷载位移特征值Tab1Load-displacement eigenvalue试件编号屈服点y/mmPy/kN峰值点max/mmPm
16、ax/kN破坏点u/mmPu/kN延性系数 抗剪强度 Ps/(kNm1)抗侧刚度 Kc/(kNm1)SF121421156467791862983821637439145885 48165SF222614336315746553534444115612722 70405SF322151500567692241291831907741555207 10726SF41264235175180413735180413734101019020 7198222延性系数结构位移延性系数计算公式为:=u/y(1)式中，u为极限位移，mm;y为屈服位移，mm。参考 建筑抗震试验方法规程(JGJ/T 101-2015)采用等效能量面积法8，确定试件的屈服点23第 1 期张铮，等:钢框架冷弯薄壁型钢组合墙体结构抗震性能有限元分析图 5各试件的骨架曲线Fig5Skeleton curve of each specimen和极限点，如图 6 所示，B 为峰值点，作 085 倍峰值荷载的平行线与骨架曲线相交于点 D，D 点的横坐标为 u，过点 B 作水平线 BC，过原点 O 作割线 OC与骨架曲线相交于点 A，