本期为中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会第17届(ISSF—2021)学术交流会暨教学研讨会优秀论文专辑。通过论文的参评申请、初审、3位专家的“双盲审”、《钢结构(中英文)》编辑部终审等系列方式,共评选出8篇优秀论文在本刊予以刊出。内容涉及钢结构工程的诸多领域,包括“钢结构稳定理论”“钢结构连接与节点”“钢结构抗震性能”“高性能钢材”“金属结构材料研究”等。这些论文反映了目前国内钢结构新材料、新体系的相关研究课题是当前的热点方向,高强钢、不锈钢、铝合金、复合钢材等新材料结构的研究与应用在我国进一步发展,钢结构抗震性能的研究日益广泛且深入。

专刊主编

班慧勇

清华大学 副教授、博士生导师

主要从事高性能钢材钢结构的教学与科研工作，重点研究双金属复合钢材钢结构、复合型高性能钢材钢结构和可拆卸钢结构。

主讲本科生专业核心课《钢结构（1）（英）》、本科生大类交叉课《钢结构原理与设计（英）》、研究生专业课《高性能钢材与钢结构》，获第五届全国高校青年教师教学竞赛工科组一等奖，被授予“北京高校青年教师创新教研工作室”。

先后主持国家自然科学基金委项目4项、国家重点研发计划项目子课题2项，获中国钢结构协会创新人才奖、中国钢结构协会科学技术奖二等奖，主编CECS标准《不锈钢复合钢材结构技术规程》（在编），发表论文曾入选“《工业建筑》期刊2019-2020年度高影响力论文榜单”、获“第29届全国结构工程学术会议优秀论文一等奖”等。担任中国钢结构协会特邀常务理事、结构稳定与疲劳分会秘书长、标准化管理委员会委员，中国建筑金属结构协会铝结构分会理事。

联肢钢板剪力墙(CSPSW)是在钢板剪力墙的基础上引入连梁而发展来的新型抗侧力体系，其中钢板剪力墙的研究在国内外已有几十年，对于设计合理的钢板剪力墙结构，大量试验和理论分析表明其具有承载力高、延性好、耗能优的特点。20世纪末，Thorburn、Timler等对大量工程中的钢板剪力墙做了理论分析并进行了简化模型的试验研究，结果表明墙板的存在与屈曲后变形能有效提升结构的抗侧力和变形能力并节省材料用量；相关文献对不同连接形式的薄板墙、低屈服点墙的力学行为做了解析与试验对比分析，表明钢板剪力墙具备卓越的承载与耗能能力，良好的梁-柱-墙板连接配合形式能充分发挥钢板剪力墙的变形与耗能能力。国内对钢板剪力墙的研究较晚，但试验与设计研究发展迅速。郝际平等对墙板开洞、梁柱半刚性连接、密肋防屈曲等钢板剪力墙形式进行了大量试验研究并基于塑性分析做了性能设计等方面研究。

然而，近年来对联肢钢板剪力墙整体的试验与理论研究较少，连梁-框架-墙板间的协同受力机制尚不明确，各构件的尺寸、连接方式等因素对结构的抗震性能影响亦不清楚。联肢的概念起初来自混凝土联肢剪力墙，吕西林等针对混凝土联肢墙设计中塑性耗能机制的适用性问题，提出了能反映墙肢-连梁变形的联肢剪力墙宏观单元；Gholhaki等研究了连梁长度对联肢钢板剪力墙性能的影响；Pavir等研究了连梁长度、体积变化下结构的滞回性能，指出减小连梁长度，增加其体积会使结构变形由剪切型转为弯曲型；相关文献直接考虑外框架对剪切强度的贡献，对联肢钢板剪力墙进行了塑性分析并对其进行了基于层间位移、塑性铰机制的性能设计；也有文献研究了联肢钢板剪力墙剪切型连梁的耦联比、变形特征对结构性能的影响，给出了保证结构经济性的耦联比范围。

前人的研究已表明连梁的引入能进一步提升钢板剪力墙性能，连梁的连接方式、长度、材料强度等因素对联肢钢板剪力墙的抗倾覆能力、柱子稳定性和墙板框架的变形模式影响显著。本文以连梁截面为变量，通过有限元模拟分析不同连梁截面高度与腹板厚度对结构抗倾覆和变形的影响。首先，从概念和理论上说明连梁的引入和连梁截面的变化对结构受力机制与变形模式的影响；然后，以一实际足尺6层联肢钢板剪力墙为原型，按连梁腹板厚度分组，改变连梁的截面高度，从而获得不同的联肢钢板剪力墙模型；随后，运用ABAQUS有限元软件对各模型进行单调与低周往复加载模拟；最后，引入耦联比作为连梁耦联作用的度量值，对各模型的有限元模拟结果进行对比与统计分析，考察模型的变形、承载能力和延性，分析耦联比对结构延性、变形模式、柱子稳定性的影响。

1 连梁对结构受力与变形影响的分析

1.1 机理分析

联肢钢板剪力墙中连梁直观上起着连接两片钢板墙肢而形成一个连梁-墙肢的整体框架作用，它与梁柱框架形成了一个框架柱抗倾覆和连梁-墙肢抗倾覆的双重抗倾覆机制，具体如图1所示。可知，联肢钢板剪力墙不只框架柱抗倾覆，还多出了一个连梁与墙肢形成的力偶抗倾覆作用，该作用分担了框架柱的抗弯矩需求，有减小外柱受压从而减缓结构失稳的作用。传统框架由于抗侧刚度不足，结构很柔，表现出剪切变形，不适用超高层建筑，而剪力墙的引入提升了结构的抗侧刚度，结构表现出弯剪变形。对于剪力墙中连梁的引入，实质上是增加了剪力墙抗倾覆作用的力臂长度，但光连梁长度的增加会使得连梁的线刚度变小，甚至使得结构变形向框架结构的剪切型变形转变。实际上，结构的侧向变形受抗侧刚度的影响，而结构的抗侧刚度是一个整体概念，它受两片钢板墙肢与连梁截面刚度的共同影响，其抗侧移简化分析见图2，图2中假定截面为矩形。从图1可知，联肢钢板剪力墙不只框架柱抗倾覆，还多出一个连梁与墙肢形成的力偶抗倾覆作用，该作用分担了框架柱的弯矩需求，有减小外柱受压从而减缓结构失稳的作用。从图2可知，在连梁连接刚度很大且不发生压弯失稳时，连梁的增大会使得抗倾覆力臂增大，致使结构的抗侧刚度增大。结构抗侧主要受连梁跨高比影响，其中截面高度对结构抗侧刚度影响最大。

注:Mec为外柱弯矩;Mic为内柱弯矩;Mpr为墙肢弯矩;Mcp为连梁-墙肢抗倾覆弯矩;Pec为外柱合力;Pic为内柱合力;Ppr为墙肢合力。图1 联肢钢板剪力墙抗倾覆示意

注：其中，Δ为结构侧移;n为楼层数;EI为连梁截面抗弯刚度。

图2 联肢剪力墙抗侧移简化分析

1.2 连梁耦联作用分析

由图1的联肢钢板剪力墙抗倾覆示意可知，对于端部连接牢固的连梁有耦联两片墙肢而形成连梁-墙肢抗倾覆的作用，称其为耦联作用。借鉴相关文献的耦联比(式(1)～式(3))概念来度量该耦联作用，其物理意义为连梁-墙肢抗倾覆弯矩占结构总弯矩的比例。

(1)

式中：CR为耦联比；Mcoup为连梁耦联作用产生的弯矩；Mvbe为底层框架柱的弯矩；Mpir为墙肢弯矩。

(2a)

(2b)

式中：分别为第i层的连梁净长、墙肢宽度；分别为第i层左、右侧墙肢的抗倾覆弯矩；为第i层连梁的塑性弯矩。

(3a)

(3b)

式中：为第i层框架梁的塑性弯矩；分别为第i层内嵌钢板的屈服强度、厚度、拉力带角度、左侧板宽、右侧板宽；Hⁱ为地板到第i层楼板的高度。

2 联肢钢板剪力墙模型的创建

由1.1节的机理分析可知，连梁是发挥耦联作用的关键，其中端部连接牢固的连梁的跨高比是影响结构抗侧移与结构变形模式的主要因素，截面高度对结构抗侧刚度影响最大。故本文以连梁截面高度为变化参数，相关文献中6层足尺联肢钢板剪力墙作为原型(编号S0416o)，按连梁腹板厚度分组，变化连梁截面获得27个分析模型，各模型的连梁截面尺寸组合与构件材性见图3、表1、表2，柱截面为H500×500×30×45，其他具体信息参照文献。原型编号S0416o中，S为结构标志，o为原型标志，前两位数字04为连梁截面高度标志(代表4×100 mm)，后两位数字16为连梁腹板厚度标志(代表16 mm)，其他27个分析模型的编号亦遵循上述规则。其中，27个变连梁截面的模型已按GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中钢结构抗震设计的建议对柱子的截面抗弯模量约放大了1.35倍。

图3 各分析模型的立面示意

表1 各分析模型的连粱截面尺寸组合

表2 模型各构件的强度值

3 联肢钢板剪力墙模型的有限元模拟

3.1 材料、约束与加载的模拟

用ABAQUS有限元软件对表1中27个模型进行水平方向的单向推覆和低周往复加载的模拟。各模型的梁柱节点均为刚性连接，分布耦合柱顶作为横向水平加载端；以压强的方式对各层框架梁顶面施加各自的楼面荷载；约束框架梁翼缘U2方向为结构提供面外约束；约束两侧墙肢U1～U6方向为结构底部提供固定约束；按各块墙板的最低阶屈曲模态形式引入层高的2/1000作为模型的初始几何缺陷。根据钢材加载过程中表现出包辛格效应与损伤累计的特点，在随动强化本构模型中引入相关文献的应力三轴度损伤判别准则(式(4))后作为本文中钢材的本构模型。单向水平推覆选用静力通用求解器进行位移控制的单调加载，直至荷载-位移曲线出现明显下降段为止；低周往复加载采用通用求解模块的动力隐式求解器的准静态方式进行，直至柱脚完全屈曲或加载端严重扭曲变形无法加载为止。往复加载采用正弦函数形式多步依次进行，以保证加载过程具备随时间增量步的连续平滑自适应加密的特点，加载的最大幅值为结构总高的5%(1/20位移角)，具体加载制度见图4。

(4)

式中：为等效塑性损伤应变；η为应力三轴度；C1为钢材平板纯剪切状态下(η=0)的等效塑性损伤应变；C₂为钢材开口圆棒单轴拉伸时(η=η0)的等效塑性应变;η0为一常数，近似为1/3。

图4 低周往复加载制度

3.2 模拟与试验的对比验证

为考察有限元模拟方法的有效性，运用上一节描绘的材料本构与加载制度对相关文献的单层非加劲钢板剪力墙进行低周往复加载模拟，滞回曲线(已作无量纲处理)对比与局部变形对比分别如图5、图6所示。

图5 试验与模拟的滞回曲线对比

注：各分图中左为试验情况，右为模拟情况。

图6 试验与模拟的局部变形对比

从图5的滞回曲线对比和图6的局部变形对比可知，有限元模拟结果与试验结果吻合良好，即本文提出的有限元模拟方法能有效地模拟结构承载力关键点、承载力下降、捏缩现象和关键部位的局部变形。

4 数值模拟结果的分析

4.1 单向推覆与低周往复加载

按上一节的模拟方式对第2节的足尺联肢钢板剪力墙原型和27个变连梁模型进行单向推覆与低周往复加载。各模型的单向推覆与低周往复加载曲线如图7所示，每一子图中横坐标为位移(-1200～1200 mm)、纵坐标为荷载(-1.2×10⁷～1.2×10⁷ N)。

图7 各联肢钢板剪力墙模型的推覆与滞回曲线

4.2结构的性能与统计分析

对图7各联肢钢板剪力墙模型按连梁腹板厚度分组进行分类统计，获得各模型的推覆曲线对比与骨架曲线分别如图8、图9所示。

a—连梁腹板厚16 mm；b—连梁腹板厚20 mm；c—连梁腹板厚25 mm。图8 各联肢钢板剪力墙模型的推覆曲线对比

a—连梁腹板厚16 mm；b—连梁腹板厚20 mm；c—连梁腹板厚25 mm。

图9 各联肢钢板剪力墙模型的骨架曲线对比

图8中，对比原型结构S0416o与相同连梁腹板厚度的结构S0416可知，原型结构S0416o的抗剪承载力明显偏低且承载力下降点出现过早，侧移刚达到1/50位移角时承载力便出现明显下降，说明原型结构框架柱截面刚度偏低，柱子的面内外刚度是影响结构承载力稳定的重要因素。对比图8a～c可知，连梁腹板厚度的变化对结构抗剪承载力影响不敏感，随着连梁截面高度的增加，结构的抗剪承载力稳步提升，结构的承载力均能持续到侧移为1/30位移角。其中连梁截面高度为400～700 mm的结构的抗剪承载力持续到侧移达到结构总高的5%也未见明显下降；连梁截面高度为800～1000 mm的结构的承载力持续到侧移为1/25位移角时才见明显下降；连梁截面高度为1100～1200 mm的结构的承载力持续到侧移为1/30位移角时有明显下降；表明连梁截面高度的增加有利于结构抗剪承载力的提升，但随着连梁截面高度的增加，抗剪承载力的提升程度越来越小，截面增加到一定高度后，结构的承载力下降情况出现得越来越早且下降程度越来越大，即结构的承载力稳定性越来越差。

图9中，各结构均在侧移达1/50位移角时开始达到承载力峰值，随后在侧移达1/30位移角的过程中承载力没有明显下降，侧移达1/30位移角后承载力均明显下降；说明侧移达1/50位移角前结构处于正常使用阶段，侧移在1/50～1/30位移角时结构处于极限使用阶段，侧移达1/30位移角后结构承载力持续下降而面临倒塌，与相关文献描述的剪力墙正常使用、生命安全、防止倒塌三个阶段的量化指标相吻合。对比图9a～c的侧移为1/50、1/30位移角阶段可知，相比连梁腹板厚度为16 mm的结构，连梁厚度为20、25 mm的结构中，除连梁截面高度为1000～1200 mm的结构外，其余结构的承载力基本保持平缓，说明连梁腹板厚度的增加对结构承载力的稳定有一定增强效果。

从图2的抗侧移简化分析与图8的曲线趋势可知，连梁截面高度的增加对结构的抗侧移和抗剪承载力有利，究其原因是结构在受横向作用过程中连梁端部弯曲会对受拉内柱产生一个压力，使得内柱逐渐由受拉转为受压，从而分担了外柱的受压，一定程度提升了结构抗倾覆能力，有利于发挥结构的延性。耦联比恰好表示了连梁产生的这部分抗倾覆作用.而图9表明连梁腹板厚度为20、25 mm的结构比厚度为16 mm的结构的承载力更稳定，故下文取连梁腹板厚度为20、25 mm的结构考察耦联比与结构延性之间的关系。通过图9的骨架曲线算得各结构的性能信息见表3。由表3得出如图10所示的延性与耦联比关系。表3中极限位移取荷载下降到峰值荷载的85%时的位移，屈服位移按通用弯矩屈服法获取，延性为极限位移与屈服位移的比值。

表3 各联肢钢板剪力墙的结构性能

注：括号内数值为极限位移角，即极限位移与结构总高的比值。

图10 联肢钢板剪力墙延性与耦联比的关系

从表3可知，对连梁腹板厚度为20、25 mm的两组结构，随着连梁截面高度的增加，峰值荷载提升效果越来越小，极限位移先增大后减小；延性最高的均出现在连梁截面高度为700 mm的结构，其中延性最好的为结构S0725，其耦联比为0.85、延性为4.14。由图10可知，以延性为判别指标，耦联比从0.6到1.2的过程中，结构延性基本表现出迅速上升→平缓上升→缓慢下降→迅速下降的现象，表明结构耦联比存在最优段；耦联比在0.6左端和1.2右端时结构延性有所上升，左端延性上升可能是连梁抗弯刚度太小而使结构表现出类似框架的破坏模式，使得结构过早进入塑性变形造成的；右端延性上升可能是过分增大连梁截面高度而使结构初始抗侧刚度明显增大，使得结构初始屈服点提前造成的。

通过对不同连梁截面高度的6层足尺联肢钢板剪力墙模型的耦联作用与结构力学性能的有限元模拟与统计分析，可得如下结论：

1)连梁产生的耦联作用有减小外柱受压从而减缓结构失稳的作用。在连梁两端连接良好时，连梁的跨高比是影响结构抗侧刚度与耦联作用的主要因素，连梁截面高度对结构抗侧刚度影响最大，随着连梁截面高度的增加，结构抗剪承载力逐渐提升，但提升程度越来越小且承载力稳定性有所降低。

2)各联肢钢板剪力墙模型均表现出在侧移达1/50位移角时开始达到承载力峰值，侧移达1/30位移角后承载力均明显下降，即1/50位移角前结构处于正常使用阶段，侧移达1/30位移角后结构承载力持续下降而面临倒塌。

3)以延性为判别指标时，耦联比有最优段，耦联比从0.6到1.2的过程中，结构延性基本表现出迅速上升→平缓上升→缓慢下降→迅速下降的现象，其中平缓上升段对应耦联比的最优段。

中英文全文下载链接

1.http://gjg.ic-mag.com/cn/article/doi/10.13206/j.gjgS20111501（注册登录免费获取）

2.https://navi.cnki.net/knavi/JournalDetail?pcode=CJFD&pykm=GJIG

作者简介

郝际平

教授 博士生导师

政协陕西省 常委

民盟陕西省委 副主委

中国建筑金属结构协会 会长

《钢结构（中英文）》编委会 委员

教授二级，博士生导师，前西安建筑科技大学副校长。1982年2月毕业于西安公路学院(现长安大学)基础部工程力学专业，1995年于西安建筑科技大学获工学博士学位，1996年进哈尔滨建筑大学(现哈尔滨工业大学)做博士后研究，并任澳大利亚WOLLONGONG大学客座教授一年，后于西安建筑科技大学任教至今。

近十年来，获国家科技进步二等奖1项，省科技进步一等奖2项，二等奖2项，获国家优秀教学成果二等奖2项，省优秀教学成果特等奖1项。承担和完成国家十三五重大研发计划课题，国家自然科学基金，陕西省“13115”重大项目等。完善了复杂钢结构整体稳定分析理论和施工时变分析算法；提出了装配式建筑系统工程集成理论，并主持研发了多、高层装配式壁柱钢结构建筑体系成套技术；研发并构建了原竹龙骨结构建筑体系及设计理论；完成了多项重大国防科学试验装置、工业关键装备、重点工程的研发和建造。

吴星煌

博士生，2015年毕业于江西科技学院土木工程专业，2018年毕业于江西理工大学建筑与土木专业，现就读于西安建筑科技大学，结构工程专业，研究领域：钢结构抗震、网壳结构抗连续倒塌。

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融媒体编辑：张白雪

责任编编：刘春

关于期刊

中冶建筑研究总院有限公司和中国钢结构协会联合主办、《工业建筑》杂志社有限公司编辑出版的中文科技期刊《钢结构》Steel Construction，于1986年创刊，2019年为促进国际学术交流，并兼顾对内传播，满足国内外读者需要，经国家新闻出版署批准，期刊文种变更为中英文双语出版，同时更名为《钢结构（中英文）》Steel Construction（Chinese & English）/ISSN 2096-6865/CN 10-1609/TF，自2020年1月全面改版发行。

期刊报道方向包括：高性能钢材，空间钢结构，高层钢结构，预应力钢结构，钢-混凝土组合结构，轻型钢结构，住宅钢结构，桥梁钢结构，特种钢结构及装配式钢结构建筑等。今后将持续关注国际学术热点，深入思考未来发展方向，报导具有高学术水平和应用价值的科研成果。

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