钢板剪力墙的分类及性能研究

钢板剪力墙的分类及性能研究

摘要：对不同形式的钢板剪力墙，即非加劲钢板墙、加劲钢板墙、开竖缝钢板墙、组合钢板墙及低屈服点钢板墙的构造特点及工作性能分别加以说明，并介绍它们在实际工程中的应用。概括了加劲和非加劲钢板墙在单向静力荷载和往复荷载下的受力特性及国外相关的设计理论和规范。

关键词：钢板剪力墙滞回曲线拉力带防屈曲钢板墙

中图分类号：tu74 文献标识码：a 文章编号：

高层建筑是近现代经济发展和科学进步的产物。由于高层建筑需要有较大的侧向刚度,因此设计中,抗侧力结构的设计是关键。基本的抗侧力结构体系有以下三种:梁柱刚接的纯框架结构、框架)支撑结构和框架)剪力墙(或框架-筒体)结构。其中, 梁柱刚接的纯框架完全依赖梁柱节点的刚性连接来抵抗水平力(风、地震作用),当结构超过20层以后,需要非常大的梁柱截面控制结构侧移,经济性很差。

结构达到40层时,支撑框架被证明是有效的抗侧力体系,但缺点是支撑在往复荷载作用下易发生屈曲。要避免上述现象,支撑必须做得相当强壮,不仅导致较大的地震作用,而且导致结构在某个方向的侧移刚度不便自由调整。

在目前超高层结构设计中流行的框剪及筒中筒体系自身就存在着缺陷,即钢筋混凝土剪力墙或核芯筒与钢框架的延性及刚度严重

不匹配。强震作用下,由于作为第1道抗震防线的钢筋混凝土剪力墙或核心筒承担了85%的水平地震力,很快因开裂、压碎而导致刚度及延性急剧退化,不利于后期地震能量的消耗。

1 钢板墙的构成与优点

钢板墙结构单元由内嵌钢板及边缘构件(梁、柱)组成,其内嵌钢板与框架的连接由鱼尾板过渡,即预先将鱼尾板与框架焊接,内嵌

钢板再与鱼尾板焊接(双面角焊)或栓接。当内嵌钢板沿结构某跨连续布置时,即形成钢板墙体系。钢板墙的整体受力特性类似于底端固接的竖向悬臂板梁:竖向边缘构件相当于翼缘,内嵌钢板相当于

腹板;水平边缘构件则可近似等效为横向加劲肋。

近30年来,研究揭示薄钢板的屈曲并不意味着丧失承载力,相反,屈曲后的拉力带类似于一系列斜撑作用,因此仍具备较大的弹性侧移刚度和抗剪承载力。而且,钢板墙良好的延性、稳定的滞回特性显示出它是一种特别适合于高烈度地震区的新型抗侧力构件。

与传统抗侧力体系相比,用钢板做剪力墙具有下列优点:

(1)与纯抗弯钢框架比较,采用钢板墙可节省用钢量50%以上。与普通支撑钢框架比较,相同的用钢量,即使在假定支撑不屈曲的条

件下,支撑所能提供的抗侧刚度最多与钢板墙持平。但不必担心钢板墙的墙板屈曲会导致承载力与耗能能力的骤降,尽管墙板屈曲后的滞回曲线会有不同程度的捏缩,但总是优于支撑屈曲后,其拉压

不对称造成耗能能力的急剧下滑。

(2)与精致的防屈曲支撑比较,钢板墙不但相对便宜,且制作和施工都比较简单,因而其市场前景更佳。

2 钢板剪力墙的形式

2.1 薄钢板墙和厚钢板墙

根据内填钢板高厚比k=min(b,h)/t的大小,钢板剪力墙可以分为薄板和厚板,两者具有不同的破坏机理。厚板剪力墙(k<250)具有较大的弹性初始面内刚度,通过面内抗剪承担整体倾覆力矩,在大震作用下具有良好的延性及稳定的滞回性能。非线性由材料弹塑性引起,一般不会发生局部屈曲,即使发生屈服后屈曲也不会形成较大的拉力带,对周边框架梁柱的依赖程度小。薄板剪力墙(ke250)高厚比较大,在侧向力较小时就发生局部屈曲,并随着侧向力的逐渐增大在钢板墙对角线方向形成拉力带;拉力带锚固在边框上,对柱形成附加弯矩,因此薄板钢板墙对周边框架梁柱的依赖性较大。

2.2 加劲和非加劲钢板墙

加劲钢板墙的设计原理是利用不同形式的加劲肋来延缓钢板的屈曲,从而提高钢板的极限承载力及延性。加劲肋的有多种形式,常见的有十字加劲和对角交叉加劲。

十字加劲钢板剪力墙,纵横加劲肋的设置限制了钢板墙面外变形量,有效的提高板的弹性屈曲强度,屈曲后拉力带中的拉应力减小,减低了钢板墙对柱刚度的依赖程度,间接提高了钢板墙的初始屈曲承载力。加叉加劲板通过在拉力带面外变形最大处设置对角加

劲肋,来阻止钢板的侧向变形,提高了板的柱面刚度,有效的增加拉力带的受力面积。试验和数值分析都表明交叉加劲钢板墙具有比十字加劲板更高的初始刚度和抗剪承载力。

2.3 开缝钢板墙

传统的钢板墙是一块完整的内填钢板与框架梁柱连接的形式,

现研究人员提出开缝钢板墙,根据开缝的位置不同分为两侧开缝钢板墙和内填板上带竖缝的带缝钢板墙。

(a)两侧开缝钢板墙

两侧开缝钢板剪力墙,即钢板剪力墙只有上、下边与框架梁相连,在左、右两侧与框架柱之间留出一定的距离。非加劲开缝钢板墙厚板与薄板的荷载位移曲线的性质有加大的区别:厚板刚度和极限承载力较高,但在位移曲线在达到极限承载力后出现下降,延性较差;而薄板的刚度和极限承载力很低,但荷载位移曲线在后期稍有上升。四边嵌固钢板墙无论厚板还是薄板,在达到极限承载力后荷载)位移曲线均没有明显的下降段。非加劲开缝钢板墙的刚度比非加劲四边嵌固钢板剪力墙低,降低的比例随边长比的增大而减小。

(b)带缝钢板墙

受混凝土开竖缝剪力墙的启示,日本学者首先提出了开竖缝钢

板剪力墙结构体系,并在一些实际工程中得到了应用。由于开设竖缝,降低了钢板墙的初始抗侧刚度,但改善了板的受力性能。通过把钢板转换为并列壁柱的形式来抵抗剪力,使钢板由原来的剪切变形

转换到以弯切变形为主,从而增加了板的耗能能力。

2.4 螺栓连接和焊接钢板墙

按照内填钢板与框架梁柱的连接方式可以分为螺栓连接和焊接两种。

当采用薄板时,钢板剪力墙和梁柱直接进行焊接存在困难,于是提出了螺栓连接钢板墙。elgaaly研究了钢板与梁柱螺栓连接的形式,连接板焊于梁柱,钢板与连接板螺栓连接,与全焊接试件相比,由于连接处的滑移和局部变形,螺栓连接构件的弹性刚度、屈服荷载较小,但极限承载力相近。

参考文献：

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