Seismic Performance Analysis of Welded Multi-Cavity Double Steel Plate-Concrete Composite Shear Wall

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.220828

Abstract

Abstract:

Most double steel plate-concrete composite shear walls use bolted or welded ribs to make the steel plate and concrete work together. However, this connection method may lead to low integrality and plastic deformation efficiency, as well as complex fabrication. Welded multi-cavity double steel plate-concrete composite shear walls are able to avoid these problems effectively. In order to investigate the seismic performance of welded multi-cavity double steel plate-concrete composite shear wall, a three-dimension solid-shell model of composite shear wall is established by using the constrained concrete true triaxial plasticity-damage constitutive model and the steel elastoplastic hybrid strengthening-ductile damage constitutive model. The hysteresis curve, skeleton curve, stiffness degradation curve, elastic stiffness, bearing capacity, cumulative energy dissipation, equivalent damping viscosity coefficient and ductility coefficient obtained by the model are in good agreement with the existing quasi-static test results. The analysis results show that: (1) the axial compression ratio has little effect on the elastic stiffness and bearing capacity of the composite shear wall model, while the stiffness and bearing capacity of the composite shear wall model decrease linearly with the increase of shear span ratio; (2) the axial compression ratio has little effect on the total plastic energy dissipation of the composite shear wall model, while the shear span ratio has a greater effect, and the total plastic energy dissipation of the shear wall decreases with the increase of shear span ratio; and (3) both the axial compression ratio and the shear span ratio do not change the energy dissipation allocation mechanism of each component of the shear wall model, which means that the energy dissipation of the composite shear wall model is mainly due to the outer steel plate and the inner partition.

Key words: double steel plate-concrete composite shear wall, seismic performance, plastic energy dissipation, finite element analysis

CLC Number:

TU398.2

DING Faxing, CAI Yongqiang, WANG Liping, et al.. Seismic Performance Analysis of Welded Multi-Cavity Double Steel Plate-Concrete Composite Shear Wall[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2024, 52(1): 15-25.

Figures/Tables 23

Table 1

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Fig.5

Fig.7

Fig.8

Fig.9

Fig.4

Table 2

Fig.6

Table 3

Fig.10

Fig.11

Table 7

Table 6

Table 4

Table 5

Fig.12

Fig.13

Table 8

Table 9

Fig.14

References 20

1	LINK R A， ELWI A E ．Composite concrete-steel plate walls：analysis and behavior［J］．Journal of Structural Engineering，1995，121（2）：60-71．
2	聂建国，卜凡民，樊健生．低剪跨比双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究［J］．建筑结构学报，2011，32（11）：74-81．
	NIE Jianguo， BU Fanmin， FAN Jiansheng ．Experimental study on seismic performance of double steel plate-concrete composite shear wall with low shear span ratio［J］．Journal of Building Structures，2011，32（11）：74-81．
3	卜凡民，聂建国，樊健生．高轴压比下中高剪跨比双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究［J］．建筑结构学报，2013，34（4）：91-98．
	BU Fanmin， NIE Jianguo， FAN Jiansheng ．Experimental study on seismic performance of double steel plate-concrete composite shear wall with medium and high shear span ratio under high axial compression ratio［J］．Journal of Building Structures，2013，34（4）：91-98．
4	聂建国，卜凡民，樊健生．高轴压比、低剪跨比双钢板-混凝土组合剪力墙拟静力试验研究［J］．工程力学，2013，30（6）：60-66．
	NIE Jian-guo， BU Fan-min， FAN Jian-sheng ．Quasi-static experimental study of double steel plate-concrete composite shear wall with high axial compression ratio and low shear span ratio［J］．Engineering Mechanics，2013，30（6）：60-66．
5	李盛勇，聂建国，刘付钧，等．外包多腔钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究［J］．土木工程学报，2013，46（10）：26-38．
	LI Shengyong， NIE Jianguo， LIU Fujun，et al ．Experimental study on seismic performance of outsourced multi-cavity steel plate-concrete composite shear wall［J］．China Civil Engineering Journal，2013，46（10）：26-38．
6	NIE J G， HU H S， FAN J S，et al ．Experimental study on seismic behavior of high-strength concrete filled double-steel-plate composite walls［J］．Journal of Constructional Steel Research，2013，88（9）：206-219．
7	马晓伟，聂建国，陶慕轩，等．双钢板-混凝土组合剪力墙压弯承载力数值模型及简化计算公式［J］．建筑结构学报，2013，34（4）：99-106．
	MA Xiaowei， NIE Jianguo， TAO Muxuan，et al ．Numerical model and simplified calculation formula of bending bearing capacity of double steel plate-concrete composite shear wall［J］．Journal of Building Structures，2013，34（4）：99-106．
8	邵建华，顾强，申永康．钢板剪力墙抗震性能的有限元分析［J］．华南理工大学学报（自然科学版），2008，36（1）：128-133．
	SHAO Jian-hua， GU Qiang， SHEN Yong-kang ．Finite element analysis of seismic performance of steel plate shear wall［J］．Journal of South China University of Technology （Natural Science Edition），2008，36（1）：128-133．
9	刘鸿亮，蔡健，杨春，等．带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究［J］．建筑结构学报，2013，34（6）：84-92．
	LIU Hongliang， CAI Jian， YANG Chun，et al ．Experimental study on seismic performance of concrete composite shear wall filled with double-layer steel plate with constrained tie rod［J］．Journal of Building Structures，2013，34（6）：84-92．
10	李健，罗永峰，郭小农，等．双层钢板组合剪力墙抗震性能试验研究［J］．同济大学学报（自然科学版），2013，41（11）：1636-1643．
	LI Jian， LUO Yongfeng， GUO Xiaonong，et al ．Experimental study on seismic performance of double-layer steel plate composite shear wall［J］．Journal of Tongji University （Natural Science Edition），2013，41（11）：1636-1643．
11	丁朝辉，江欢成，曾菁，等．双钢板-混凝土组合墙的大胆尝试——盐城电视塔结构设计［J］．建筑结构，2011，41（12）：87-91．
	DING Zhaohui， JIANG Huancheng， ZENG Jing，et al ．An innovative application of SCS composite wall：structural design of Yancheng TV tower［J］．Building Structure，2011，41（12）：87-91．
12	汤序霖，丁昌银，陈庆军，等．带加劲肋多腔双层钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能试验［J］．工程力学，2017，34（12）：150-161．
	TANG Xu-lin， DING Chang-yin， CHEN Qing-jun，et al ．Seismic performance test of multi-cavity double-cavities double-layer steel plate and concrete composite shear wall with stiffener［J］．Engineering Mechanics，2017，34（12）：150-161．
13	王来，马江霖，李昕，等．带拉条多腔钢板混凝土组合剪力墙抗震性能研究［J］．山东科技大学学报（自然科学版），2019，38（5）：46-57．
	WANG Lai， MA Jianglin， LI Xin，et al ．Study on seismic performance of composite shear wall with multi-cavity steel plate with tension strips［J］．Journal of Shandong University of Science and Technology （Natural Science Edition），2019，38（5）：46-57．
14	HE W， WAN Y， LI Y，et al ．Experimental study on seismic behaviors of the welded L-shaped double steel plate-concrete composite shear wall［J］．Journal of Constructional Steel Research，2021，187：106944/1-12．
15	DING F X， CAO Z Y，LYU F，et al ．Practical design equations of the axial compressive capacity of circular CFST stub columns based on finite element model analysis incorporating constitutive models for high-strength materials［J］．Case Studies in Construction Materials，2022，16：e01115/1-23．
16	丁发兴，吴霞，向平，等．多类混凝土和各向同性岩石损伤比强度准则［J］．土木工程学报，2021，54（2）：50-64，73．
	DING Faxing， WU Xia， XIANG Ping，et al ．Damage ratio strength criterion for various types of concrete and isotropic rock［J］．China Civil Engineering Journal，2021，54（2）：50-64，73．
17	孙浩，徐庆元，丁发兴，等．循环荷载下钢管混凝土墩柱塑性大变形分析［J］．铁道科学与工程学报，2023，20（3）：973-985．
	SUN Hao， XU Qingyuan， DING Faxing，et al ．Analysis of large plastic deformation of concrete-filled steel tube pier under cyclic loading［J］．Journal of Railway Science and Engineering，2023，20（3）：973-985．
18	DING F X， YIN G A， WANG L P，et al ．Seismic performance of a non-through-core concrete between concrete-filled steel tubular columns and reinforced concrete beams［J］．Thin-Walled Structures，2017，110：14-26．
19	谷利雄，丁发兴，张鹏，等．钢‒混凝土组合简支梁滞回性能非线有限元分析［J］．工程力学，2013，30（1）：301-306．
	GU Li-xiong， DING Fa-xing， ZHANG Peng，et al ．Nonlinear finite element analysis of hysteresis performance of steel-concrete composite simply supported beam［J］．Engineering Mechanics，2013，30（1）：301-306．
20	王强．多腔钢板‒混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究及有限元分析［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016．

试件编号	轴压比	剪跨比	钢板厚度/mm	边室宽度/mm	中室宽度/mm	高×宽×厚/（mm×mm×mm）	轴力/kN
FSW1	0.3	2.41	3	60	100	1 500×623×65	609
FSW2	0.4	2.41	3	60	100	1 500×623×65	815
FSW3	0.5	2.41	3	60	100	1 500×623×65	1 015
FSW4	0.3	2.07	3	80	80	1 500×723×65	715
FSW5	0.4	2.07	3	80	80	1 500×723×65	953
FSW6	0.5	2.07	3	80	80	1 500×723×65	1 191

试件	加载方向	试验结果			有限元模拟结果
试件	加载方向	Δ_y/mm	Δ_u/mm	μ	Δ_y/mm	Δ_u/mm	μ
FSW1	+	7.51	31.19	4.12	8.33	33.69	4.04
FSW1	-	7.61	33.55	4.41	8.29	33.74	4.07
FSW2	+	7.20	29.25	4.06	7.86	30.77	3.92
FSW2	-	7.41	29.67	4.00	7.83	30.89	3.94
FSW3	+	7.27	28.42	3.91	7.88	31.12	3.95
FSW3	-	8.49	33.13	3.90	7.93	30.84	3.89
FSW4	+	7.95	31.16	3.92	8.45	32.28	3.82
FSW4	-	10.32	33.07	3.21	8.51	32.75	3.85
FSW5	+	8.17	26.09	3.19	7.95	31.41	3.95
FSW5	-	7.88	28.40	3.60	8.02	31.09	3.88
FSW6	+	6.38	25.70	4.03	7.78	30.34	3.90
FSW6	-	6.67	26.45	3.97	7.84	30.75	3.92

剪跨比	轴压比	边室宽度/mm	中室宽度/mm	中室数量	高×宽×厚/ （mm×mm×mm）
1.63	0.1~0.7	60	100	8	1 500×923×65
1.82	0.1~0.7	60	100	7	1 500×823×65
2.07	0.1~0.7	60	100	6	1 500×723×65
2.41	0.1~0.7	60	100	5	1 500×623×65
2.87	0.1~0.7	60	100	4	1 500×523×65
3.55	0.1~0.7	60	100	3	1 500×423×65

部件	不同轴压比下的塑性耗能占比/%
部件	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7
混凝土	2.9	3.0	3.3	3.7	4.1	5.2	6.3
内隔板	19.6	20.0	20.6	21.2	21.8	22.3	22.5
外钢板	77.4	77.0	76.1	75.1	74.1	72.5	71.2

剪跨比	轴压比	总塑性耗能/kJ	核心混凝土塑性耗能/kJ	内隔板塑性耗能/kJ	外钢板塑性耗能/kJ
2.41	0.1	242.01（100.0%）	7.11（3.0%）	47.52（19.6%）	187.38（77.4%）
2.41	0.2	240.86（99.5%）	7.26（3.0%）	48.25（20.0%）	185.36（77.0%）
2.41	0.3	242.43（100.2%）	8.01（3.3%）	49.85（20.6%）	184.57（76.1%）
2.41	0.4	244.76（101.1%）	9.06（3.7%）	51.91（21.2%）	183.80（75.1%）
2.41	0.5	253.56（104.8%）	10.33（4.1%）	55.33（21.8%）	187.90（74.1%）
2.41	0.6	256.41（106.0%）	13.22（5.2%）	57.29（22.3%）	185.90（72.5%）
2.41	0.7	270.78（111.9%）	17.08（6.3%）	61.00（22.5%）	192.70（71.2%）