开缝

开缝作为一种新型的材料抗侧力构件，在不需要强大加劲体系的前提下，使弯曲弹塑性变形主要集中在弯曲链杆的顶部和底部，从而实现延性耗能。通过两片开缝薄钢板墙低周反复荷载试验，系统地研究了开缝薄钢板墙的破坏过程和破坏机理，得到了承载力，侧移刚度，延性和耗能能力等指标。

概念

开缝是指石材安装时相邻板材接缝中未填充密封材料而呈现自然缝隙。与此同时，薄钢板剪力墙以弯曲链杆为主要的耗能构件，试验结果表明，开缝薄钢板墙的承载力和侧移刚度能满足正常使用阶段要求，当内填板的整体面外屈曲、缝间板条和边缘加劲肋的弯扭屈曲不先于弯曲链杆的端部弯曲屈服时，开缝薄钢板墙有很好的延性和耗能能力，是一种理想的水平抗侧力构件。

开缝薄钢板剪力墙低周反复荷载试验研究

作为一种有效的水平抗侧力构件，钢板剪力墙(以下简称SPSW)受到各国学者越来越多的关注。SPSW根据高厚比一般可分为薄板墙(高厚比λ≥250)和中厚板墙(高厚比λ<250)，一般来说薄板墙比厚板墙经济。为了改进砼剪力墙的抗震性能，提出开缝剪力墙的概念。用有限元结合试验最早研究42片开缝钢板剪力墙，认为开缝钢板剪力墙的刚度和强度可通过缝的长度、数量、间距、层数和墙板的尺寸等参数进行调整。在内填板上开设竖缝，通过弯曲链杆的弹塑性变形来消耗地震能量，构造合理的开缝SPSW可使弯曲弹塑性变形主要集中在弯曲链杆的端部，从而实现延性耗能。国内已有学者用有限元研究了开缝SPSW的性能，但试验资料相当匮乏。试验研究了两片开缝薄SPSW，揭示了其在低周反复荷载作用下的破坏过程和破坏机理，得到了侧移刚度、承载力、延性和抗震性能等指标。试验结果表明，合理设计的开缝薄SPSW的承载力和侧移刚度可满足正常使用阶段的要求;当内填板的整体面外屈曲、弯曲链杆和边缘加劲肋的弯扭屈曲不先于弯曲链杆端部的弯曲屈服时，开缝薄钢板墙有很好的延性和耗能能力，开缝薄SPSW是一种理想的水平抗侧力构件。

试验简介

（1）试件设计制作

为了更好的了解开缝薄SPSW的性能和受力机理，本文试验研究了两片开缝薄SPSW。根据相似理论和加载系统的能力，模型比例约为1:3，试件编号分别为HD1-1和HD1-2。试件框架跨度1200mm，高度1500mm，地梁截面HM440×300×11×18，框架柱截面HW150×150×7×10，梁截面HN300×150×6.5×9，内填板厚度3.5mm，SPSW高厚比，在内填板中部开设10条240mm×5mm的竖缝，缝间距60mm，缝间板条高宽比、宽厚比分别为4和17。在框架左柱右边开设了300mm宽的通长洞口，边缘用板80mm×3.5mm通长加劲。为方便施工，在框架梁、柱腹板中面焊接了60mm×6mm的连接板，内填板三边搭接在连接板上，搭接长度为40mm，单面焊；另一边与边缘加劲肋连接，双面焊；详细尺寸见图1。试件HD1-1与HD1-2几何尺寸完全相同，HD1-1与HD1-2的板面外最大初始挠度分别为1.95mm和2.45mm。材性试验是在WES液压万能试验机上进行，试件中各种型钢、钢板均按现行国家标准留取材性样品，并测定材料力学性能，如表1所示。

（2）加载装置及测点布置

SPSW用4个地脚锚栓固定在试验槽内，下部形成固支端，地梁的两端用钢锭固定在混凝土地板上以抵抗反复水平力。反复水平力采用悬臂式加载法，由1000kN的MTS往复作动器提供，作动器一端铰接于试件左柱梁中心线高度，另一端与钢筋混凝土反力墙连接。在梁的中心线位置设置侧向支撑以防止梁的面外变形。框架柱的竖向荷载由两个500kN同步油压千斤顶提供，为保证竖向荷载不影响试件的水平方向侧移，在千斤顶上部设置平面滚轴支座，加载装置见图2。SPSW边框构件及边加劲肋的变形、内填板的面外变形通过布置在试件上的位移计与百分表来测量，共设置7个位移计(用W表示)和5个百分表(用D表示)，具体布置见图3。

（3）加载制度

竖向荷载：先在每柱柱顶同步施加400kN压力，分两级加载，每级200kN。第一级加载结束后检查各仪表是否工作正常。在整个试验过程中保持竖向荷载恒定，然后开始施加水平荷载。水平荷载：根据《建筑试验抗震方法规程》(JGJ101-96)，采用力和位移联合控制加载。在试件屈服前，采用荷载增量控制，以100kN增量为一级，每级循环1次。在试件屈服后，采用位移增量控制，以屈服位移的倍数为各级荷载增量，每级循环3次。直到试件破坏。

破坏特点

两个试件的破坏过程基本一致，破坏顺序依次为：内填板屈曲，部分弯曲链杆端部屈服，缝间板条和边缘加劲肋弯扭屈曲，边框柱上、下端翼缘屈曲，开洞处梁翼缘屈曲，最终破坏为柱上、下端形成塑性铰或柱面外失稳破坏。两个试件的破坏机理基本相同，主要有以下特点：

(1)先是次要构件内填板开始屈曲，屈服耗能，然后才是框架本身的破坏，破坏过程符合多道抗震设防的要求，安全储备高。

(2)试件的破坏都不是在一个加载循环内完成的，属稳定的延性破坏。

(3)内填板与连接板焊缝开裂不会显著影响试件的整体工作性能，说明SPSW有很好的内力重分布能力。

(4)因板高厚比(λ=429)较大，边缘加劲肋刚度有限，试件整体面外屈曲和边缘加劲肋弯扭屈曲出现较早，弯曲链杆端部的塑性铰未能充分发展，试件的延性和耗能能力没有充分发挥。

(5)由于弯曲链杆的宽厚比较大，其弯扭屈曲先于全部的端部塑性铰形成，试件的面外变形加大，承载力降低，弯曲链杆的延性和耗能能力没有充分发挥。

滞回曲线

滞回曲线是构件在低周反复荷载作用下作用力和位移之间的关系曲线，是结构抗震性能的综合体现，也是结构弹塑性动力反应的主要依据，HD1-1，HD1-2的滞回曲线如图4所示。两个试件的滞回曲线有以下特点：

(1)在内填板屈曲、屈服前，虽然有初始面外变形等影响，但力和位移基本呈线性关系，滞回环包围的面积很小，试件处于弹性工作状态。

(2)内填板部分屈曲、屈服后，滞回环开始张开呈曲线型，随着加载位移的增加，部分弯曲链杆端部出现屈服，板面外屈曲变形加大，滞回曲线逐渐向位移轴倾斜，滞回环包围的面积不断增大，刚度有所退化，试件进入弹塑性工作阶段。

(3)在典型的位移控制阶段，由于板高厚比、弯曲链杆的宽厚比较大，加劲肋的刚度有限，试件出现较大的整体面外变形、加劲肋和弯曲链杆的弯扭屈曲变形，承载力和刚度退化较明显。

(4)所有试件的滞回曲线介于梭形和反S形之间，饱满稳定，属弯剪型破坏。主要原因可能是试验中板的整体面外屈曲、边缘加劲肋和弯曲链杆的弯扭屈曲出现较早，弯曲链杆在端部未能全部屈服形成塑性铰。

(5)由于竖缝的存在和边缘加劲肋刚度有限，开缝薄SPSW几乎没有形成斜拉力带，这有别于一般的薄SPSW，试件主要靠弯曲链杆的弹塑性弯曲变形消耗地震能量。

研究结论

通过两片开缝薄SPSW低周反复荷载试验，对试验现象和试验结果进行综合分析，可以得到如下结论：

(1)开缝薄SPSW将缝间板条转换成一系列弯曲链杆，通过链杆的弯曲弹塑性变形来消耗地震能量，采用合理的构造措施可实现延性耗能。开缝薄SPSW是一种理想的水平抗侧力构件。

(2)经合理设计开缝薄SPSW的承载力和侧移刚度，可满足正常使用阶段的要求;其延性和抗震性能很好，可满足较高地震区的抗震设防要求。

(3)开缝薄SPSW主要是通过链杆的弯曲弹塑性变形来消耗地震能量，因此保证板的整体面外屈曲、弯曲链杆和边缘加劲肋的弯扭屈曲和弯曲链杆的端部撕裂不先于弯曲链杆的屈服，使弯曲弹塑性变形主要集中在链杆的顶部和底部，是发挥开缝薄SPSW的优越性的重要条件。

(4)为保证板的整体面外屈曲和边缘加劲肋的弯扭屈曲不先于弯曲链杆的屈服，内填板应与周边框架有效连接，且边缘加劲肋应有一定的面内刚度。

开缝翅片压降和换热特性的数值模拟

近年来，人们研究了不少对换热器翅片强化传热的方法，其中对换热器翅片进行开缝就是一种强化空气侧传热的有效方法。这是因为沿流动方向上翅片的边界层厚度是增加的，从而导致换热系数沿流动方向减小。在翅片上开缝可以破坏翅片上的边界层，减小边界层的厚度。对开缝翅片的研究，前人的工作主要集中在实验上。对百叶窗式开缝翅片进行实验研究，将开缝翅片的换热特性与不开缝翅片进行了比较。对X型排列的开缝翅片进行实验研究，研究表明，这种翅片具有较好的换热特性。对翅片开缝的位置进行实验研究，分析开缝位置对翅片换热特性的影响。由于结构的复杂性，与开缝翅片有关的数值模拟工作并不多见。

开缝式翅片的传热特性研究仍处在不断发展和完善的阶段，对开缝式翅片换热性能的量化以及结构尺寸参数的优化已经成为进一步研究的重点。通过对开缝翅片结构尺寸的优化，可以在较小的阻力增量下获得较大的换热效果，充分发挥开缝翅片的优良特性。正如前面所述，由于开缝翅片结构比较复杂，对其结构参数进行优化的工作一般也仅局限于实验研究方面，如曾对百叶窗式开缝翅片片间距对换热性能的影响进行了实验研究。开缝翅片的另一个重要的结构参数就是翅片厚度，它对开缝翅片的阻力和换热特性有很大影响。研究利用STAR-CD软件分别对开缝翅片管式换热器换热和压降特性进行了数值模拟研究，分析了开缝翅片厚度对开缝翅片的换热和压降特性的影响，并用场协同理论对计算结果进行了分析，旨在改进翅片管式换热器的结构设计，为优化新型管翅式换热器提供参考。

数学模型

（1）物理问题描述

模拟对象是参照Hiroaki等研究的一种商业开缝翅片设计的翅片模型，翅片结构示意图如图5所示(图中长度单位均为mm)。换热器的传热过程为：工质在管内发生相变换热，管子与翅片之间为导热，翅片与来流进行强制对流换热。主要对空气侧的换热进行研究，而且换热器中大部分热阻集中在空气侧，所以可以忽略管内热阻，从而假定管子温度一定。计算过程中不考虑管子与翅片之间的接触热阻，并假定空气侧气体流动为不可压、稳态、常物性和层流流动。

（2）边界条件

对开缝翅片进行计算时，进口流速和温度均匀；出口采用局部单相化条件，出口边界流动为充分发展流；翅片表面温度由自身导热和表面对流换热耦合计算确定；忽略翅片和铜管外壁的接触热阻，即翅片根部温度于铜管外壁温度一致；翅片上下开缝处流体为周期性边界条件，周期性边界即把一种重复或周期性的流动条件强加在几何形状完全一样且成对出现的边界面上，以便能减少计算网格的数量；沿纵向管间距方向上的两个边界为对称性边界条件；管壁采用恒温边界条件。

研究结论

针对平片、开缝翅片利用STAR-CD软件进行了数值模拟，研究了l对开缝翅片和平片的Δp特性和换热特性的影响，并用场协同理论对计算结果进行了分析。结果表明：

(1)翅片开缝能起到强化翅片换热的效果，但Δp也会增大，即流动的阻力会有所增加。

(2)无论是平片还是开缝翅片，v的增大都能增强翅片的换热特性。

(3)开缝片l的增加，可增强翅片换热的效果，但流动的阻力也会增大。为了兼顾流动阻力和换热特性，对于所研究的开缝翅片，l取在0.15～0.2mm比较合适。

(4)对计算结果的协同场分析进一步证实了结果的正确性。

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