加劲钢板剪力墙
梯形正交加劲钢板剪力墙抗侧性能分析
梯形正交加劲钢板剪力墙抗侧性能分析
郑宏;蔡乐乐;江力强;孙鸿宇;孙志伟
【期刊名称】《河南科技大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2024(45)2
【摘要】提出了一种梯形正交加劲钢板剪力墙(TSW)结构,利用有限元软件ABAQUS创建了TSW模型,在验证了有限元建模方法的准确性后,进行了TSW与网格密肋钢板剪力墙(GSW)结构的非线性推覆对比和滞回性能对比分析,并对TSW 进行参数分析。
结果表明:在单调加载下的非线性推覆对比中,相较于GSW,TSW的初始刚度、峰值荷载和屈服荷载分别提升了9%、18%和26%;在水平往复荷载下的滞回性能对比中,相较于GSW,TSW的初始刚度、屈服荷载、峰值荷载和延性分别提高9%、26%、16%和5%。
TSW对钢板剪力墙的面外变形的抑制效果大于GSW。
内嵌钢板设置梯形加劲肋可以改善其过早发生整体屈曲。
加劲肋厚度和加劲肋高度可以显著提高TSW的抗震性能,但加劲肋底边宽度对TSW的影响可以忽略不计。
建议加劲肋厚度为6 mm、加劲肋高度不超过60 mm。
【总页数】15页(P56-68)
【作者】郑宏;蔡乐乐;江力强;孙鸿宇;孙志伟
【作者单位】长安大学建筑工程学院;中南大学土木工程学院;中南林业科技大学建筑工程学院;同圆设计集团股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TU391
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不同形式的槽钢加劲钢板剪力墙滞回性能研究杨雨青;牟在根【摘要】钢板剪力墙是一种具有良好的延性、抗侧刚度和耗能能力的新型抗侧力结构,非常适用于高烈度地区建筑,通常采用加劲的方法以改善钢板墙的性能.为了对比不同槽钢加劲形式、框-板连接形式对钢板剪力墙滞回性能的影响,建立了非线性有限元模型进行分析,以预测加劲钢板剪力墙的抗震性能和破坏行为.通过建立11个双层单跨的加劲钢板剪力墙模型,包括竖向加劲、斜向加劲、单侧开洞、两边连接等情况,对其承载能力、耗能能力、退化特性、延性和破坏特征等问题进行了对比分析.结果表明,加劲肋能有效改善钢板剪力墙的滞回曲线\"捏缩\"现象,不同程度地提高钢板剪力墙的承载能力和抗侧刚度,其中斜向布置加劲肋能明显地提高结构抗侧刚度和承载能力,并在墙板屈曲后维持较高的刚度;而竖向加劲形式对结构的刚度和承载力提高较小,墙板受力更加均匀.两边连接形式的钢板剪力墙能有效避免对框架柱的附加弯矩,并可很好地与加劲钢板协同工作,结构具有较好的稳定性和耗能能力.当墙板跨高比较大时,采用小区格的交叉加劲形式有更好的效果,对角加劲形式在屈曲后对框架柱有较大的附加作用,因此设计时应增大柱截面或考虑进一步减小板厚,避免框架柱过早发生局部屈曲进而导致结构承载力下降.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2019(052)008【总页数】13页(P876-888)【关键词】钢板剪力墙;滞回性能;槽钢加劲肋;耗能能力;退化特性;有限元法【作者】杨雨青;牟在根【作者单位】北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083;北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083【正文语种】中文【中图分类】TU392.4钢板剪力墙(steel plate shear wall,SPSW)是一种新型抗侧力结构,有良好的延性,易于与钢框架匹配,形成“钢框架-钢板剪力墙”双重抗侧力体系.早期对钢板屈曲后性能认识不足,钢板墙厚度设计较厚,经济性较差,未得到工程师的青睐.1983年Thorburn等[1]发现薄钢板屈曲后形成拉力带,具有更高的抗侧力性能,随后薄钢板剪力墙的屈曲后性能引起了学者的关注.经过多年的发展,国内外采用钢板剪力墙作为抗侧力体系的建筑越来越多,如洛杉矶活力酒店[2]、天津津塔[3]、中国尊[4]等.钢板剪力墙的使用为建筑提供了可靠的稳定性和抗震性能,并且提高了建筑的使用面积、减小了工程造价和缩短了施工周期.薄钢板容易在较小侧向力作用下发生屈曲,形成拉力带以继续为结构提供承载能力,但在往复荷载作用下,拉力带随结构水平位移变化而改变方向时,伴有较大的鼓曲声响,结构出现“零刚度”甚至“负刚度”,滞回曲线出现明显的“捏缩”现象.通常采用加劲肋的形式以改善薄钢板易屈曲的问题,常用的加劲形式有十字加劲、对角加劲、纵横密肋加劲等形式[5].郭彦林和陈国栋等[6-7]研究结果表明,对角加劲形式不仅能提高结构弹性屈曲荷载,延缓钢板发生面外变形,并且能在屈曲后起到增大拉力带的效果,提高结构承载能力,是一种高效的加劲形式.在一些加劲钢板剪力墙的试验研究中发现[8-9],采用单板加劲的钢板剪力墙在屈曲后对加劲肋产生较大的作用,导致加劲肋自身扭曲、破坏,严重影响了其加劲效果,甚至失效.为此有学者建议采用闭口形式的槽钢作为加劲肋,以增强加劲肋自身的强度和性能.而对槽钢加劲钢板剪力墙的研究也仅限于竖向加劲形式[10]及其受剪受压弹性屈曲[11-12],还有很多研究空白之处.目前的研究成果没有系统地对不同加劲形式的钢板剪力墙滞回性能进行对比分析,本文采用ABAQUS有限元软件,对11种不同槽钢加劲形式、框-板连接形式的钢板剪力墙滞回性能进行分析,对比不同槽钢加劲肋布置形式及框-板连接形式对钢板剪力墙的承载能力、抗侧刚度、滞回性能、延性、退化特性和耗能能力等关键力学性能和抗震性能的影响,为实际工程提供参考.由于钢材在单调荷载和往复荷载作用下的力学响应有很大差别,Shi等[13]对我国常用钢材的循环本构模型进行了相关的试验研究,在Chaboche钢材本构的基础上,提出了在往复荷载作用下发生循环强化、屈曲、累积损伤退化等现象的钢材非线性混合强化本构模型,包括了随动强化和各向同性强化,如图1所示,具体参数定义详见文献[13].王萌等[14]在此基础上拟合了可用于有限元软件ABAQUS 模拟钢板剪力墙的关键材料参数(如表1所示),并验证了模型中采用的单元类型和边界条件的合理性,并对常见形式的钢板剪力墙进行了系统的对比分析[15].本文在有限元软件ABAQUS中建立钢板剪力墙模型,梁、柱、内填钢板和加劲肋均采用S4R四节点缩减积分壳单元模拟,梁柱连接、内填板和框架连接及加劲肋与内填板等接触均采用绑定(TIE)连接模拟全焊接,并忽略鱼尾板和残余应力的影响.钢材的弹性模量E为206000N/mm2.选取合适的网格进行划分,本文模型网格尺寸取50mm以保证较高计算精度和较少的计算时长.考虑内填钢板的初始缺陷影响(以钢板的1阶屈曲模态作为分布模式,最大几何缺陷幅值取H/1000施加于结构).约束结构底部的3个平动和3个转动自由度,并约束框架柱在顶梁处的平面外位移防止结构产生刚体位移.循环加载采用ABAQUS /Explicit[16]显式动力模块进行分析,输入钢材密度为7.8×10-9t/mm3,每个分析步的加载速率取0.5,采用自动的全局稳定增量步长估计,其余为默认设置,以保证整个加载过程中惯性力的影响很小,从而得到准确高效的准静态解.单调加载则采用ABAQUS/Standard静力通用(static general)进行分析,钢材本构模型采用双折线模型,强化阶段切线模量为0.02E.以文献[17]中非加劲钢板剪力墙SPSW-H2和文献[18]中交叉加劲钢板剪力墙SPSPW-HS2试件进行验证,材料属性按试验基础数据选取,利用混合本构模型,并输入材料的循环硬化属性,具体参数按表1选取.对比结果如图2和图3所示,数值模拟结果与试验滞回曲线基本吻合,并且能有效预测结构的破坏形态.模型为双层单跨钢板剪力墙结构,模型缩尺比为1∶3,考虑实际工程中大跨高比的情况,选取跨高比为2,考虑结构应符合“强框架,弱墙板”的设计原则,框架柱、梁采用Q345钢,内填钢板、槽钢加劲肋为Q235钢.钢板剪力墙结构的基本尺寸如图3所示.根据《钢板剪力墙技术规程》[19],边缘柱的截面惯性矩应符合式中:为柱截面惯性矩;为柱截面最小惯性矩;为剪切力分配系数;为内填钢板厚度;为梁跨,按框架柱轴线距离计算;为柱高,按框架梁轴线距离计算.其余模型在此基础上,保持梁、柱尺寸不变,改变内填板加劲形式(如表2及图4所示):①标准钢板剪力墙(SPSW-STA),内填板厚度为3mm.②竖向槽钢加劲钢板剪力墙(SPSW-VS),双面对称竖向布置3道5#槽钢,槽钢规格为50mm×37mm×4.5mm.③小区格对角加劲钢板剪力墙(SPSW-DS),中部布置一道竖向槽钢将内填板分割为两个方形小区格,在小区格内布置对角槽钢加劲肋.④对角加劲钢板剪力墙(SPSW-DS2),双面对称对角布置槽钢.⑤多道斜向加劲钢板剪力墙(SPSW-MOS),双面非对称布置3道斜向槽钢加劲肋.⑥单侧开洞-钢板剪力墙(SPSW-RO),在钢板剪力墙一侧开矩形洞,内填板开洞边一侧与边柱距离为300mm,开洞边设置50mm×4mm的方钢管加劲肋.⑦单侧开洞-多道斜向加劲钢板剪力墙(SPSW-MOSRO),在多道斜向槽钢加劲钢板剪力墙一侧开矩形洞,内填钢板一侧与边柱距离为300mm,开洞边设置50mm×4mm的方钢管加劲肋.⑧单侧开洞-对角加劲钢板剪力墙(SPSW-DSRO),在对角槽钢加劲钢板剪力墙一侧开矩形洞,内填钢板一侧与边柱距离为300mm,开洞边设置50mm×4mm的方钢管加劲肋.⑨两边连接-对角加劲钢板剪力墙(SPSW-DSRO2),内填板两侧与框架柱不连接,距离边柱300mm,并设置方钢管加劲肋.⑩两边连接-竖向加劲钢板剪力墙(SPSW-VSRO2),双面对称竖向布置3道槽钢,两侧与框架柱不连接,距离边柱300mm,并设置方钢管加劲肋.两边连接-钢板剪力墙(SPSW-RO2),与框架柱不连接,距离边柱300mm,两侧布置方钢管加劲肋.对考虑初始缺陷的模型进行加载,加载分为竖向荷载加载和水平荷载加载:为模拟实际使用中受到的上部荷载作用,首先在两个框架柱顶分别施加350kN轴力(轴压比为0.2),分两步进行加载,并且保持不变.为方便对模型进行对比,水平荷载通过位移控制进行加载,以依次增大的层间位移角为位移幅值进行循环加载,每级循环2次,共循环12次,最大加载幅值为60mm,超过《钢板剪力墙技术规程》中规定的弹塑性层间位移角1/50(50mm),加载制度如图5所示.由于钢材在循环荷载作用下发生循环硬化和损伤积累,与单调荷载作用下有很大区别,并且在循环加载过程中,钢板屈曲后产生的拉力带方向不断改变,框架柱受拉力带作用产生局部屈曲等原因,使得结构随循环次数的增加而出现承载力下降的情况.各模型的整体滞回曲线如图6所示.从图6中可以看出,对于四边连接的钢板剪力墙(图6(a)~(e)),非加劲钢板剪力墙在屈曲后,形成的拉力带改变方向时,结构的承载力和刚度都有明显下降,滞回曲线有明显的“捏缩”,呈反S型.通过采用加劲的形式能有效地改善钢板剪力墙的“捏缩”现象.相比于竖向加劲钢板剪力墙(SPSW-VS),斜向加劲(对角加劲DS、多道斜向加劲MOS)的滞回曲线呈现为饱满的梭形,承载力更高,耗能能力更强,表明斜向加劲相对于竖向加劲效果更佳,能在内填板屈曲后起到增大拉力带的效果,提高结构承载力,但需要注意的是斜向加劲形式起到增大拉力带作用的同时,对框架柱的附加弯矩也随之增大,因此随着循环次数和水平位移的增加,框架柱会发生更严重局部屈曲,导致结构后期的承载力有所下降.对于单侧开洞的钢板剪力墙(图6(f)~(h)),相比于四边连接承载能力有所降低,方钢管加劲肋的设置为开洞边提供了一定的约束作用,有利于拉力带的形成和发展.其中多道斜加劲形式(MOSRO)后期承载力下降较对角加劲形式(DSRO)小,基本能保持稳定.对于两边连接的钢板剪力墙(图6(i)~(k)),由于两侧都失去了框架柱的约束作用,并且内填板面积减小,结构的承载能力较低,对角加劲(DSRO2)和竖向加劲(VSRO2)同样能明显改善钢板剪力墙的“捏缩”现象,对角加劲钢板剪力墙的滞回曲线更加饱满.骨架曲线能反映结构在弹性阶段、弹塑性阶段和塑性流动阶段的屈服强度、极限承载力和延性等.第一次循环峰值的包络线所形成的骨架曲线如图7所示,不同加劲形式对钢板剪力墙的承载能力、退化特性等性能有着不同程度的影响.从图7中可以看出,各结构的极限位移角均超过《钢板剪力墙技术规程》中1/50(即0.02rad),1层的极限位移角都大于0.02rad,表现出良好的变形能力,而2层层间位移角相对较小,在0.02rad左右.从图7(a)~(c)可看出,3种斜加劲形式(DS、DS2和MOS)的钢板墙2层在加载后期,随层间位移角增大承载力下降较为严重,这是由于斜加劲形式对框架柱的附加作用,并且在倾覆力矩作用下,1层的框架柱角部过早发生局部屈曲,影响了结构的抗侧能力,结构承载能力出现下降.而竖向加劲(VS)形式对框架柱产生的附加作用相对较小,骨架曲线与标准形式(STA)基本一致.对于单侧开洞形式(图7(d)~(f)),结构的承载力明显降低,但通过布置斜向加劲肋,能弥补开洞造成的承载力损失,达到未开洞时的承载能力.从图7(g)~(i)中能看出,两侧的开洞使得结构承载力降低的程度更大,但两边连接形式(RO2)不与框架柱连接,使得框架柱所受的附加弯矩和倾覆力矩的组合效应大大减弱,结构在循环加载后期,仍能保持较稳定的承载能力.延性反映了结构在结构发生较大的非线性变形时保持强度的能力,可由位移延性系数对结构的延性进行评价,位移延性系数为极限位移与屈服位移的比值.屈服位移通常可用几何作图法、等能量法和Park法进行求解[20].本文采用等能量法求解结构的屈服位移,整体模型主要结果如表3所示.从表3中可以看出,四边连接和单侧开洞的延性系数m基本在3.45~3.79,其中多道斜加劲钢板墙(SPSW-MOS)延性最低,为3.10.两边连接形式能明显提高结构的延性,均超过4.00,其中两边连接竖向加劲(VSRO2)延性最高,达到了5.22.《钢板剪力墙技术规程》中规定了钢板剪力墙的变形限制:弹性层间位移角不宜大于1/250,弹塑性层间位移角不宜大于1/50.不同加劲形式的钢板剪力墙承载力及刚度见表4和表5.由表4可以看出,不同的加劲形式还能不同程度地提高钢板剪力墙的承载能力,其中竖向加劲钢板墙(SPSW-VS)的循环承载力峰值提高9%;小区格对角加劲钢板剪力墙(SPSW-DS)提高最为明显,循环承载力峰值提高38%;而对角加劲(DS2)和多道斜加劲(MOS)形式也有30%左右的提升,同样是优异的加劲形式.对于单侧开洞或两边连接形式,开洞率(开洞面积占整体墙面面积)分别为15%和30%,循环承载力峰值分别下降20%和44%.可以通过加劲形式提高结构承载力近弥补开洞造成的承载力损失,并且斜加劲形式比竖向加劲形式更有效,对钢板剪力墙的承载力提高更显著.由表5可以看出,非加劲钢板剪力墙(SPSW-STA)初始刚度达到了125.29kN/mm;在1/250层间位移角时,非加劲钢板剪力墙(SPSW-STA)的割线刚度达到了86.89kN/mm;在1/50层间位移角时,非加劲钢板剪力墙(SPSW-STA)的割线刚度达到了23.99kN/mm. 竖向加劲能提高约37%的初始刚度,小区格对角加劲钢板剪力墙(SPSW-DS)提高最为明显,达到64%,而对角加劲和多道斜加劲形式也有50%左右的提升.结构达到1/250层间位移角时,竖向加劲形式比非加劲形式的钢板剪力墙刚度仅高约6%,而3种斜加劲形式比非加劲形式刚度提高约34%~39%,说明在结构屈曲后,竖向加劲形式对结构刚度的提高有限,而斜向加劲形式能继续提高结构的抗侧刚度.对于单侧开洞和两边连接形式的钢板剪力墙,刚度明显低于四边连接形式,并且斜向加劲形式对刚度的提高仍然明显.结构的滞回环所包围的面积是结构吸收能量转化为非弹性变形的能量,滞回环面积越大,结构耗散的能量也就越多.模型随循环次数的增加,累积能量耗散(各循环的滞回环面积累加)如图8(a)所示,最终结构能量耗散如图8(b)所示,1层能量消耗用黑色条带表示,2层能量消耗用红色条带表示,1层能量消耗占总消耗能量用白色数字表示,黑色数字表示不同加劲形式钢板墙的总消耗能量与标准钢板墙的总消耗能量的比值,用百分数表示.从图8中可以看出,对于四边连接的钢板剪力墙,1层能量消耗占比为57%~64%,其中对角加劲形式(DS2)占比最大,竖向加劲形式(VS)占比最小;侧边开洞则减小了1层能量消耗的占比,达到53%~60%.开洞形式(RO和RO2)降低了钢板剪力墙的耗能能力,相比标准钢板剪力墙,能量消耗降低了30%~40%.通过采用加劲的形式能明显提升钢板剪力墙的耗能能力,其中小区格对角加劲形式(DS)消耗的能量提高了1.9倍,而竖向加劲形式(VS)相对于其他形式则提升较弱,但也提高了1.3倍的耗能能力.对于开洞形式的钢板剪力墙,采用加劲肋同样也能明显提升结构耗能能力,其中单侧开洞-多道斜加劲形式(MOSRO)效果最好,相比非加劲形式(RO)提高了近2倍能量消耗能力.评价结构的耗能能力一般还采用能量耗散系数来表示,即式中:表示滞回曲线面积,如图9所示(阴影填充部分);表示虚线围成的三角形面积.能量耗散系数越大,表明滞回曲线越饱满,结构的耗能能力越强.钢板剪力墙模型的能量耗散系数如图10所示,横坐标为图9中的E、F点之间的距离变化.从图10(a)可以看出,对于四边连接形式的钢板剪力墙,设置加劲肋能有效地延缓钢板的屈曲,改善滞回曲线的“捏缩”现象,能量耗散系数都要明显地高于非加劲钢板剪力墙,其中,斜加劲钢板剪力墙的能量耗散系数随位移幅值的增大而不断增大,几乎呈线性增长,并且多道斜加劲形式(MOS)的能量耗散系数最大;而竖向加劲和非加劲形式的能量耗散系数后期增长缓慢.从图10(b)可看出,对于单侧开洞的钢板剪力墙,多道斜加劲(MOS)与对角加劲(DS)比非加劲提高约30%能量耗散系数,两种斜加劲形式的能量耗散系数变化较为接近,并且三者的变化趋势较为一致.从图10(c)能看出,两边连接形式的钢板剪力墙(RO2)的能量耗散系数要高于四边连接和单侧开洞,并且竖向加劲(VS)和对角加劲(DS)形式对两边连接钢板剪力墙能量耗散系数的提高都很明显.从图10(d)可以看出,两边连接-对角加劲形式(DSRO2)能量耗散系数最大,是标准钢板墙的1.7倍,达到了2.77;3种斜加劲形式对结构的能量耗散系数提升约40%,而竖向加劲形式仅提升17%,采用斜加劲能更有效地发挥加劲肋的作用.在循环荷载作用下,结构发生局部屈曲、塑性变形,导致承载力不断退化,等幅度循环荷载作用下结构的稳定性一般用承载力退化系数来表示,即式中:表示j倍屈服位移加载时,第i+1次循环对应的峰值荷载;表示j倍屈服位移加载时,第i次循环对应的峰值荷载.承载力退化系数越大,表明结构承载力下降越慢,能够维持稳定的抗侧能力.结构整体承载力退化系数如图11所示.从图11中可以看出,四边连接形式的钢板墙承载力退化系数均高于0.80,其中竖向加劲和非加劲形式承载力退化系数大于0.90,抗侧能力稳定;而3种斜加劲形式的承载力在循环后期均出现严重退化,这是由于增强拉力带使得对框架柱的附加弯矩作用增大,同时在竖向荷载产生的倾覆力矩作用下,框架柱过早发生局部屈曲,不能维持较高的承载力,出现大幅的下降.钢板剪力墙模型的在往复荷载作用下的最终形态如图12所示,图中阴影表示结构在整个加载过程中受拉和受压产生的塑性应变绝对值的累积结果,即等效塑性应变(PEEQ),塑性应变累积越大,钢材越容易发生断裂,由此可以预测钢板剪力墙结构的断裂和破坏位置(图中PEEQ值相对于单个结构本身).由图12中可以看出,所有模型的1层框架柱角部均有不同程度的屈曲变形,形成明显的塑性铰,是钢板墙结构中相对薄弱的部位.对于非加劲钢板剪力墙(STA、RO和RO2),墙体出现明显的双向拉力带,拉力带方向约为45°,在双向拉力带交汇处的等效塑性应变PEEQ较大,钢板容易发生疲劳断裂.对于竖向加劲钢板剪力墙(VS、VSRO2),由于槽钢加劲具有很大的抗弯刚度和抗扭刚度,将墙板分为宽高比较大的小区板,并且加劲肋作为小区格的边缘构件,使得拉力带在小区格内能够充分发展,因此该类型的钢板剪力墙的墙板等效塑性应变PEEQ分布较为均匀.对于不同形式的斜向加劲钢板剪力墙(DS、DS2、MOS和DSRO),加劲肋将墙板分割为三角形小区块,受拉(受压)加劲肋在墙板屈曲后起到增大拉力带(或撑杆)的效果,这明显增大了对框架柱的附加弯矩,并且在竖向荷载产生的倾覆力矩作用下更进一步加重了框架柱的局部屈曲.因此在进行设计时,需要增大柱截面或使用更刚强的截面形式,如方钢管框架柱等.从另一方面考虑,斜向加劲肋对钢板剪力墙的承载力和刚度都有大幅度的提升,并且在内填钢板屈曲后参与抵抗水平力和耗能,可以考虑进一步减小内填钢板厚度,通过设置斜向加劲肋以达到较厚墙板的效果.对比DS、DS2、MOS、MOSRO可以看出,若结构的跨高比较大,则不适合采用对角加劲形式,因为它会使得加劲肋长细比较大,容易失稳发生屈曲而失去加劲效果,建议采用小区格对角加劲或多道斜向加劲形式.选取钢板剪力墙模型各部件的PEEQ最大值进行对比,如图13所示.可以看出,非加劲钢板剪力墙和竖向加劲钢板剪力墙各构件的PEEQ最大值基本小于1,受力较为均匀.而对于斜加劲形式的钢板剪力墙,内填钢板PEEQ值非常大,这是由于斜加劲肋与边缘构件留有一定的距离,因此内填板在加劲肋的两端部分在循环过程中不断发生受拉和受压,容易累积塑性变形,进而导致内填板角部的断裂.可以考虑在加劲肋端部设置垫板或其他措施以加强内填板在加劲肋端部的强度,避免影响钢板剪力墙性能的发挥.图14为钢板剪力墙结构在1/50位移角和最终时刻的钢板墙平面外变形最大值.从图中可以看出,在1/50位移角时,标准钢板墙及两边连接钢板墙的1层、2层平面外位移几乎一致,而其他类型的1层面外位移均大于2层.竖向加劲和小区格对角加劲形式对钢板的面外屈曲有很好的限制效果,都明显低于未加劲的情况.而斜加劲形式DS2、MOS和DSRO由于对框架柱的附加作用大大增加,使得柱脚过早局部屈曲,钢板墙发生较大的面外变形.不同加劲肋形式对两边连接形式(RO2)的面外变形始终有良好的限制作用,框架柱未出现严重的局部屈曲,钢板的面外位移都低于未加劲的情况.本文建立了11个双层单跨钢板剪力墙的缩尺模型,考虑了不同加劲形式以及不同的框-板连接形式(包括四边连接、单侧开洞和两边连接形式),对模型进行了非线性有限元分析,研究了不同形式的加劲钢板剪力墙的抗震性能,得出以下结论.(1) 设置加劲肋能明显改善钢板剪力墙的“捏缩”现象,并提高结构的抗侧能力和刚度,其中竖向加劲形式在墙板屈曲后,刚度提升效果下降;而斜向加劲在屈曲后,结构仍能保持较高的刚度,是一种高效的加劲形式.(2) 两边连接形式由于不与框架柱连接,拉力带的发展受到限制,承载力和刚度有明显的下降.但该形式能提高钢板墙结构的延性,并有效地减弱钢板墙拉力带对框架柱的不利影响;通过设置加劲肋,钢板墙结构的滞回曲线呈饱满的梭形,承载力退化程度低,能量耗散系数提高,具有良好的稳定性和耗能能力.。
加劲钢板剪力墙抗剪性能分析
0 引言
L u 引 率先提 出 了两 边 连接 钢板 剪力墙 , 即墙 板仅 在 上下边与框架梁连接 , 而左 右两侧 与框 架柱断开 的结 构形式 。研 究结果 表 明, 该种 剪力墙 虽然损失 了一定 的承载能力 , 但却最 大 限度 地保护 了柱子 不先发 生破
( X i ’ a n U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y , X i ’ a n 7 1 0 0 5 5 , C h i n a )
Ab s t r a c t : T h e s h e a r r e s i s t a n c e b e h a v i o r o f d i a g o n a l l y s t i f e n e d s t e e l p l a t e s h e a r w a l l w a s s t u d i e d b y e mp l o y i n g i f n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t w a r e AN S YS .S p e c i a l a t t e n t i o n wa s p a i d o n t h e i n l f u e n c e o f t h e p a — r a me t e r s o n he t l o a d — d i s p l a c e me n t c u r v e o f t h e p a n e 1 .T h e s e p a r a me t e s r i n c l u d e d s t i f n e s s r a t i o o f s t i f e n — e r t o p a n e l ,d e p t h — t h i c k n e s s r a i t o o f he t p a n e l , a n d wi d t h t o hi t c k n e s s r a t i o o f s t i f e n e r .T h e r e s u l t s s h o w ha t t he t d i a g o n a l s t i f e n e r c a n s i g n i i f c nt a l y i n c r e a s e he t b e a in t g c a p a c i t y o f he t s t e e l p l a t e s h e a r wa l1 .T h e s t i f n e s s r a t i o o f s t i f f e n e r t o p a n e l p r o d u c e s d i f e r e n t e f f e c t s o n s h e a r r e s i s t a n c e b e h a v i o r b e t w e e n he t hi t c k p a n e l a n d t h i n p a n e 1 . Ho w e v e r ,n o ma t t e r t h i c k p a n e l o r hi t n p a n e l ,wi d h t t o hi t c k n e s s r a t i o o f s t i f e n e r h a s s l i g h t e f e c t s o n l o a d — d i s p l a c e me n t c u r v e o f he t m. Ke y wo r d s : s t e e l p l a t e s h e a r w ll a ;d i a g o n a l s t i f e n e r ;s t i f n e s s r a t i o o f s t i f f e n e r t o p a n e l
无粘结十字加劲钢板剪力墙结构抗剪性能分析
ANALYS I S ON S H EA R PERFO RM ANCE OF UN BON DED CRO S S — STI FFENED S TEEL PLATE S H EAR W ALL
Ni n g Zi j J a n Ha on g We i h ui Ba i Ru i
s h e a r wa l 1( UCS - S PS W ) ,a n ABAQUS f i n i t e e l e me n t mo d e 1 o f o n e — s t o r y o n e - s p a n UCS - S PS W wa s e s t a b l i s h e d i n
宁子健 , 等: 无 粘 结 十 字加 劲 钢 板 剪 力 墙 结 构 抗 剪 性 能 分 析
无粘 结 十 字加 劲 钢板 剪 力墙 结构 抗 剪 性 能分 析 *
宁子健 郝 际平 于金 光 钟 炜辉 白 睿
( 西 安 建 筑 科 技 大学 土木 工程 学 院 , 西 安 7 1 0 0 5 5 ) 摘 要 : 十 字 加 劲 钢 板 剪 力 墙 已被 试 验 证 明 是 优 秀 的抗 侧 力耗 能构 件 , 但 加 劲 构 件 与 内嵌 钢 板 无 粘 结 时 , 其 对 内嵌 钢 板 的 作 用 尚 需进 一 步研 究 。利 用有 限 元 分 析 软 件 AB AQ US , 对 单 层 单 跨 无 粘 结 十 字 加 劲 钢 板 剪 力 墙 结 构 的 抗 剪性能进行数值模拟 , 分析在水平荷载作用 下, 构 件 的 受 力 破 坏 特 征 及 抗 剪 性 能 。研 究 表 明 , 无 粘 结 十 字加 劲 钢 板 剪 力 墙 结 构 具 有 良好 的延 性 及 抗 剪性 能 , 内嵌 钢 板 能承 担 更 多 的 剪 力 , 对 周 边 框 架 不 利 作 用 的 降低 幅 度 与 传 统 十
往复加载下十字加劲波纹钢板剪力墙的滞回性能分析
第37卷第1期2021年2月结构工程师Structural Engineers Vol.37,No.1Feb.2021往复加载下十字加劲波纹钢板剪力墙的滞回性能分析郑宏杨瑞鹏*王玮王嘉政(长安大学建筑工程学院,西安710064)摘要作为抗侧体系,波纹钢板剪力墙结构是一种通过利用内嵌钢板墙形成用来增强性能的钢板剪力墙结构体系。
波纹钢板剪力墙与平钢板剪力墙相比,其侧向刚度、承载能力及耗能能力均更优秀,但在加载后期,其平面外变形过大,应力分布不均匀,导致结构承载力和刚度严重退化。
为有效缓解上述缺陷,提出一种十字加劲波纹钢板剪力墙结构,十字加劲肋的存在,可以有效约束内嵌波纹钢板的平面外变形,在加载中后期,结构滞回环饱满,耗能能力较无十字加劲波纹钢板更加优秀,并有效减缓了波纹钢板剪力墙出现的承载力和刚度退化明显的现象。
利用ABAQUS软件,通过改变波纹板厚度和加劲肋宽度两个参数进行有限元模拟分析,最终经过对比分析,发现波纹板厚度对结构有明显作用,而加劲肋宽度则影响较小,同时给出建议,当波纹板厚度取值为1.8~2.0mm,即对应的柱墙刚度比为22.34~24.83,十字加劲肋宽度取值为40~60mm,即对应的肋板刚度比为0.28~0.93时,这样的波纹钢板剪力墙结构性能相对更好。
关键词十字加劲钢板墙,有限元分析,滞回性能,波纹板厚度,加劲肋宽度Hysteresis Performance Analysis of Shear Wall with Cross-Stiffening Corrugated Steel Plate under Cyclic LoadingZHENG Hong YANG Ruipeng*WANG Wei WANG Jiazheng(College of Architecture Engineering,Changan University,Shanxi710064,China)Abstract As a lateral-resisting system,corrugated steel plate shear wall structure is a steel plate shear wall structure system formed to enhance performance through the use of embedded steel plate pared with shear wall of flat steel plates,shear wall of corrugated steel plates has better lateral stiffness,bearing capacity and energy dissipation capacity.However,at the later stage of loading,its out-of-plane deformation is too large and the stress distribution is not uniform,leading to significant degradation of structure bearing capacity and stiffness.To effectively relieve the above defects,a cross bracing corrugated steel plate shear wall structure is proposed in this paper,cross the existence of stiffening rib,can effectively constraint the out-of-plane deformation of embedded corrugated steel plate during the loading,the hysteresis loop is full and energy dissipation capacity is better than one without cross-stiffener corrugated steel plate.Decrease of the bearing capacity and stiffness is greatly mitigated.Based on ABAQUS,by changing the thickness of corrugated plate and stiffener width in finite element simulation analysis,comparison resucts show that corrugated plate-thickness has a great effect on structures,while the stiffener width has a minor effect.Suggestions are given at the same time,when corrugated plate thickness values from1.8mm to2.0mm,which corresponds to the收稿日期:2019-12-18作者简介:郑宏,男,教授,研究方向为钢结构抗震。
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。
钢板混凝土剪力墙施工工艺介绍
钢板混凝土剪力墙施工工法目录一、海南省工程建设工法申报表............................ 错误!未定义书签。
二、钢板混凝土剪力墙施工工法 (2)三、企业级批准文件...................................... 错误!未定义书签。
四、工法应用和效益证明.................................. 错误!未定义书签。
五、科技部门出具的科技查新报告.......................... 错误!未定义书签。
六、反映工法实际施工的照片.............................. 错误!未定义书签。
钢板混凝土剪力墙施工工法1 前言随着国民经济的腾飞,高层、超高层建筑遍地开花,建筑的高度逐年提高,建筑结构本身必须采取一些新的技术和施工工艺来满足建筑自身的需要,减轻建筑本身的自重和增强其结构的抗震性能为最重要的技术措施,因此劲性钢板剪力墙结构施工技术应运而生。
2000年以后,国家政策鼓励用钢,发展钢结构建筑,涌现出一大批钢劲性混凝土结构高层写字楼、住宅楼建筑群和桥梁建筑。
钢板剪力墙是一种有横向加劲的墙板,用以在结构中抵抗侧力。
柱子作为墙板的翼缘构件,框架梁作为墙板的横向加劲。
薄钢板与其周围的梁柱在各层连接构成内填板构件。
内填板周边约束梁柱分别简称为周边柱、周边梁,非内填板约束构件称为框架梁、框架柱。
其主要分类如下:1.无加劲钢板剪力墙;2.加劲板钢板剪力墙;3.开缝钢板剪力墙;4.钢板-混凝土组合剪力墙。
本钢板组合剪力墙施工工法就是以中国建筑第八工程局有限公司承建的海口万达项目结构施工为蓝本编写的。
海口万达项目,北临白水塘路,南临椰海大道,东面为旅游职业学校,西临海榆中线。
本场地占地总面积约为14.9万㎡,近似呈“L”型,划分为两大块:北侧为住宅区,南侧为大商业区域,总建筑面积53.9万㎡。
本工程住宅区由11栋100米高层住宅组成,1层地下室,海口万达广场是1栋4/2层商业综合体建筑,总建筑面积为15万㎡。
好文档:加劲钢板剪力墙弹性抗剪屈曲性能研究
Abstract:
Elastic buckling behavior of two kinds of steel plate shear walls (SPSW) formed by cross stiffened
panel and diagonal stiffened panel is investigated. Local buckling mode, overall buckling mode and their interaction are classified, depending on the stiffness ratio of stiffener to panel ( η ). Elastic buckling analysis is carried out to reveal the inherent properties of SPSW. The analysis is related closely with three parameters, namely the panel slenderness ratio ( λ ), the stiffness ratio of stiffener to panel ( η ), and the column stiffness ( β ). Results show that the current technical specification for steel structure of tall buildings (JGJ99-98) overpredicts the elastic buckling load when the stiffness ratio of stiffener to panel is less than 40. A modified coefficient for elastic buckling of the panel considering the influence of the column stiffness is proposed, and a simplified formula is given to predict the buckling load of the panel with diagonal stiffeners. Key words: steel plate shear wall; stiffener; cross stiffened panel; diagonal stiffened panel; elastic buckling behavior 在高层及多层钢框架建筑结构中,钢板剪力墙 是一种有效的抗侧力构件
钢板剪力墙任意布置单侧加劲肋的等效刚度
8@ABCDEB’ !&^)%)")*H‘=# &C= P$-S*("> ,EL*)&=% ^(&C ,"=\%(#= %&(EE="=’(" )’P(&’)’H L,%(&(," $"#=’$"(E,’M -,ML’=%%(,"O;")*H%=%^=’=-)’’(=# ,$&E,’&C=(%,*)&=# %&(EE="=’)"# &C=L*)&=)-&=# PH&C=(’("&=’)-&(G=E,’-=%" )"# &C=H)’=-,MP("=# &,%)&(%EH&C=-,"&("$(&H-,"#(&(,"%(" &C=*,">(&$#(")*%&’)("%)"# &C=#=E*=-&(,"%," &C=-,""=-&("> *("=" &C==EE=-&,E&C=E’==)"# ^)’L(">&,’%(," )"# &C=%C=)’#=E,’M)&(," (" &C=%&(EE="=’^=’=("-*$#=#OIC==a$)&(," ,EP$-S*(">^)%&C$%,P&)("=#O +,ML)’(">&C=P$-S*(">=a$)&(," ,EL*)&=^(&C #,$P*=%(#=# %&(EE="=’" )")*H&(=NL’=%%(," ,E=EE=-&(G=P="#(">%&(EE"=%%)"# &^(%&(">%&(EE"=%%,E&C=,"=\%(#=%&(EE="=’^)%,P&)("=#" &C==EE=-&(G=^(#&C ,E&C=L*)&=&)S(">L)’&(" &C=E$"-&(," ,E&C=%&(EE="=’^)%E,$"#O+,ML)’(">^(&C &C=’=%$*&%,E;2]@] )")*H%(%" (& ^)%E,$"# &C)&&C=)")*H&(-%,*$&(," C)# =N-=**="&)--$’)-H’=>)’#*=%%,E&C=%C)L=,E&C=%&(EE="=’OF%(">&C==EE=-&(G= ’(>(#(&(=%" &C=,"=\%(#=%&(EE="=# L*)&=%-,$*# P=)")*H‘=# )%(E(&^)%)#,$P*=%(#=%&(EE="=# L*)&=O FG.HICJA’ %&==*%C=)’^)**# ,"=\%(#=%&(EE="=’# &,’%(,"# =a$(G)*="&’(>(#(&H# =EE=-&(G=P’=)#&C
盖板加强斜加劲钢板剪力墙受力性能
盖板加强斜加劲钢板剪力墙受力性能郑宏;张敏;王嘉政;王威【摘要】提出一种新型抗侧力体系——盖板加强斜加劲钢板剪力墙,运用有限元软件ANSYS15.0对斜加劲钢板剪力墙(DSW)、单侧盖板加强斜加劲钢板剪力墙(CSW-1)、双侧盖板加强斜加劲钢板剪力墙(CSW-2)结构进行单调加载、循环加载以及屈曲荷载研究,得到结构的荷载-位移曲线、滞回曲线、耗能能力、骨架曲线、屈曲系数、屈曲荷载等,对比分析了加强盖板斜加劲钢板剪力墙结构的受力性能.结果表明:单调加载条件下,加强盖板的存在提高了斜加劲钢板剪力墙的承载力和初始刚度,且双侧加强比单侧加强更优;循环加载条件下,加强盖板使得盖板加强斜加劲钢板剪力墙的滞回曲线更加饱满,刚度退化更缓慢,表现出良好的延性,且双侧盖板加强效果比单侧加强效果明显;斜加劲肋对内填钢板的平面外变形约束明显,盖板对加劲肋的平面外约束明显,可以在较小的用钢量下获得较大的弹性屈曲荷载增幅,是十分有效的加强方式,综合考虑加劲肋与加强盖板对结构弹性屈曲荷载的影响,建议肋板刚度比取30,盖板相似比取0.5.【期刊名称】《建筑科学与工程学报》【年(卷),期】2019(036)002【总页数】8页(P48-55)【关键词】盖板加强斜加劲钢板剪力墙;初始刚度;滞回曲线;骨架曲线;屈曲荷载【作者】郑宏;张敏;王嘉政;王威【作者单位】长安大学建筑工程学院,陕西西安710061;长安大学建筑工程学院,陕西西安710061;长安大学建筑工程学院,陕西西安710061;长安大学建筑工程学院,陕西西安710061【正文语种】中文【中图分类】TU398.20 引言钢板剪力墙是20世纪70年代发展起来的一种新型抗侧力体系,是一种非常适合作为高烈度地震区结构的抗侧力构件[1-3]。
目前国内外对该体系的研究表明[4-8],钢板剪力墙屈曲后形成的拉力带能够继续为结构提供侧向承载力,使结构具有较好的延性和较强的侧向刚度,表现出优良的耗能性能,且利用钢板剪力墙屈曲后强度可以降低钢材用量,提高经济效益。
加劲钢板剪力墙抗剪性能分析
加劲钢板剪力墙抗剪性能分析王潭潭;李生辉【摘要】The shear resistance behavior of diagonally stiffened steel plate shear wall was studied by employing finite element analysis software ANSYS. Special attention was paid on the influence of the parameters on the load-displacement curve of the panel. These parameters included stiffness ratio of stiffen-er to panel, depth-thickness ratio of the panel, and width to thickness ratio of stiffener. The results show that the diagonal stiffener can significantly increase the bearing capacity of the steel plate shear wall. The stiffness ratio of stiffener to panel produces different effects on shear resistance behavior between the thick panel and thin panel. However, no matter thick panel or thin panel, width to thickness ratio of stiffener has slight effects on load-displacement curve of them.%利用ANSYS有限元软件对交叉加劲钢板剪力墙的抗剪性能进行了研究,重点分析了肋板刚度比和加劲肋宽厚比对剪力墙荷载—位移曲线的影响.研究表明,设置交叉加劲肋能够显著提高钢板剪力墙的承载能力;肋板刚度比对于厚板和薄板抗剪性能的影响不同,对薄板的影响大于厚板;然而无论是厚板还是薄板,加劲肋宽厚比对于墙板荷载—位移曲线的影响都很小.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2013(035)001【总页数】3页(P61-63)【关键词】钢板剪力墙;交叉加劲肋;肋板刚度比【作者】王潭潭;李生辉【作者单位】西安建筑科技大学土木工程学院,西安710055;西安建筑科技大学土木工程学院,西安710055【正文语种】中文【中图分类】TU392.40 引言钢板剪力墙是20世纪70年代发展起来的一种有效的抗侧力构件[1],近几十年来主要在北美和日本等国家广泛应用于从多层到超高层的各种框架结构中,尤其适用于高烈度地区。
钢板剪力墙承载力与抗震性能研究
钢板剪力墙承载力与抗震性能研究摘要:本文关注了加劲钢板剪力墙的屈曲特性和抗剪承载力,以及整体结构中钢板墙在地震作用下的响应特点和抗震性能。
采用特征值屈曲分析,考察了影响钢板剪力墙屈曲承载力的各主要因素。
对钢板墙的受剪屈服和屈服后行为及其影响因素进行分析研究,并同时对比了薄板和厚板承载机制方面的区别。
通过整体模型,探讨了钢板剪力墙抵抗地震作用的塑性耗能机制和特性。
关键词:加劲钢板剪力墙;屈曲特性;抗剪承载力;塑性耗能0 引言钢砼剪力墙以其节约钢材,施工方便,符合我国国情而被大量采用,在剧烈地震作用下,将造成墙体的严重损坏,刚度退化,而地震作用向框架转移,加重框架负担,抗震性能不尽合理。
钢板剪力墙以其较大的初始刚度,大变形能力和良好的塑性性能,稳定的滞回特性而逐渐受到重视。
1 钢板剪力墙屈曲特性屈曲特性[1]的分析采用通用有限元软件的特征值屈曲模块,计算模型假定如下:(1)假定梁的弯曲与轴向刚度为无限大;(2)为简化分析因素,梁、柱之间铰接,不考虑框架的抗弯作用;(3)加劲肋不与框架梁柱连接,即加劲肋两端自由;分析模型简图如图1所示。
图1有限元分析模型示意加劲肋的布置主要考虑其自身尺寸与相互之间的间距两种因素,分别考虑竖向加劲肋和纵横加劲肋两种形式钢板剪力墙,其中墙板的总尺寸为7.5m×3m(l×h0),加劲肋间距的设置可见表1。
本文以肋板的外伸宽度与板厚的比值(bs/t)来表明加劲肋的强度,同时定义高厚比(λ=h0/t)以区分不同厚度的墙板,为考虑框架柱对屈曲承载力的影响,设置了如表2所示的多种柱截面。
1.1 高厚比的影响加劲肋钢板剪力墙的弹性屈曲承载力与高厚比λ密切相关,板屈曲承载力随高厚比的增大迅速降低,对于薄板(λ=400~600),屈曲承载力较低,设置加劲肋后,屈曲承载力得到提高,但仍低于剪切屈服强度,可见加劲肋薄板更有使用价值。
随着加劲肋间距的增加,其限制平面外变形的能力也逐渐减弱,曲线渐趋于重合。
两边连接内加劲双钢板剪力墙抗剪承载力研究
第50 卷第 11 期2023年11 月Vol.50,No.11Nov. 2023湖南大学学报(自然科学版)Journal of Hunan University(Natural Sciences)两边连接内加劲双钢板剪力墙抗剪承载力研究徐亚飞1,谭平2†,陈林1,周福霖1,2(1.湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082;2.广州大学工程抗震研究中心,广东广州510405)摘要:为研究两边连接内加劲双钢板剪力墙的抗剪承载力,采用ABAQUS程序进行36个不同宽高比、不同高厚比的两边连接内加劲双钢板剪力墙的有限元分析. 分析结果表明,采用厚板或宽高比较大的钢板均可以使钢材达到较高的平均应力水平;峰值平均剪应力与屈服平均剪应力的比值随高厚比或宽高比变化的规律不明显,强屈比随高厚比变化介于1.17~1.21之间,随宽高比的变化介于1.16~1.21之间,平均值均为1.19;给出了宽高比为0.33~2.00、高厚比为200~750的两边连接内加劲双钢板剪力墙屈服平均剪应力计算公式;采用结构力学位移计算原理推导的理论计算公式可准确计算内加劲双钢板剪力墙的初始刚度和初始等效剪切模量. 建立了两边连接内加劲双钢板剪力墙的等效交叉杆模型,验证了等效交叉杆模型可以精准地模拟不同宽高比、不同高厚比两边连接内加劲双钢板剪力墙的屈服平均剪应力和初始刚度,表明可以采用等效交叉杆模型简化两边连接内加劲双钢板剪力墙的设计与分析.关键词:钢板剪力墙;抗剪承载力;剪应力;强屈比;等效交叉杆模型中图分类号:TU392.1;TU392.4 文献标志码:AStudy on Shear Performance of Double Steel Plate Shear Wall with Internal Stiffeners Connected at Two SidesXU Yafei1,TAN Ping2†,CHEN Lin1,ZHOU Fulin1,2(1.College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;2.Engineering Seismic Research Center, Guangzhou University, Guangzhou 510405, China)Abstract:To further study the shear capacity of double steel plate shear walls with internal stiffeners connected at two sides, the finite element analysis of 36 double steel plate shear walls with different width-depth ratios and different height thickness ratios,which are internally stiffened with two-side connections,is carried out by using ABAQUS program. The analysis results showed that the use of thick plates or plates with a larger width-depth ratio can make the steel reach a higher average stress. The ratio of peak mean shear stress to yield mean shear stress has no obvious change rule with height-thickness ratio or width-depth ratio. The variation of strain-hardening ratio with height thickness ratio is between 1.17 and 1.21, and the variation with width-depth ratio is between 1.16 and 1.21,with an average value of 1.19. The formula for calculating the yield mean shear stress of double steel plate shear walls with internal stiffeners connected at both sides is given. The theoretical calculation formula derived from the displacement calculation principle of structural mechanics can accurately calculate the initial stiffness and initial∗收稿日期:2023-02-12基金项目:国家自然科学基金资助项目(51978185), National Natural Science Foundation of China(51978185)作者简介:徐亚飞(1988—),男,河南漯河人,湖南大学博士研究生文章编号:1674-2974(2023)11-0120-08DOI:10.16339/ki.hdxbzkb.2023131第 11 期徐亚飞等:两边连接内加劲双钢板剪力墙抗剪承载力研究equivalent shear modulus of an internally stiffened double steel plate shear wall. In addition, the equivalent cross brace model of double steel plate shear walls with internal stiffeners connected at both sides is established. It is verified that the equivalent cross brace model can accurately simulate the yield mean shear stress and initial stiffness of double steel plate shear walls with internal stiffeners connected at both sides with different width-depth ratios and different height-thickness ratios. It is shown that the design and analysis of double steel plate shear walls with internal stiffeners connected at both sides can be simplified by using the equivalent cross brace model.Key words:steel plate shear wall;shear capacity;shear stress;strain-hardening ratio;equivalent cross brace model钢板剪力墙结构是由内嵌钢板与周边框架相连构成的新型抗侧力体系,具有自重轻、承载能力高、耗能能力强等优点[1]. 由于采用厚钢板对周边框架刚度要求高且经济性较差,实际工程中往往采用薄钢板剪力墙. 早期的研究表明,薄钢板剪力墙钢板虽然较早地发生屈曲,但斜向拉力带的产生发挥了钢板的屈曲后性能,使得薄钢板剪力墙具有较高的承载能力. 不可否认的是,在往复荷载的作用下,滞回曲线表现出明显的“捏缩”现象,影响薄钢板剪力墙抗震性能的发挥[2].为改善薄钢板剪力墙滞回曲线的“捏缩”现象,提高其抗震性能,学者们从“强框架、弱墙板”及约束面外屈曲两方面开展了大量研究,如两边连接钢板剪力墙[3-4]、开缝钢板剪力墙[5]、开洞钢板剪力墙[6-8]、低屈服点钢板剪力墙[6,9-10]及加劲钢板剪力墙[11]、防屈曲钢板剪力墙[12-13]、开斜缝防屈曲钢板剪力墙[14]、组合钢板剪力墙[15-17]等,研究成果对钢板剪力墙屈曲后滞回性的改善及工程应用均具有重要意义. 然而,已有钢板剪力墙也存在一些问题,如开缝或开洞对钢板剪力墙的承载力削弱较大;加劲肋对于改善滞回曲线“捏缩”效果有限且用钢量较大;防屈曲钢板剪力墙构造复杂,施工难度大等.为解决已有钢板剪力墙存在的上述问题,作者在文献[18]中提出了一种新型耗能内加劲双钢板剪力墙,通过对比分析验证了其抗震性能的优越性,并进行了参数分析,给出了设计建议. 本文在前述研究的基础之上,对两边连接内加劲双钢板剪力墙的抗剪承载力及其简化设计分析方法进行深入研究,以便得出相关的计算公式或设计建议.1 两边连接内加劲双钢板剪力墙构造文献[18]中提出的两边连接内加劲双钢板剪力墙如图1所示. 内加劲肋固定于双钢板之间形成内加劲双钢板剪力墙,再与上下框架梁采用焊接或螺结构体系. 与普通加劲钢板剪力墙相比,内加劲肋限制双钢板的面外屈曲变形、双钢板限制内加劲肋的屈曲变形,二者协同工作,因此滞回曲线更加饱满. 与防屈曲钢板剪力墙相比,克服了屈曲约束钢板剪力墙对拉螺栓开孔削弱内嵌钢板抗震能力及施工工艺复杂的缺点.2 抗剪承载力分析2.1 模型设计考虑到实际工程应用中两边连接钢板剪力墙的尺寸范围,在分析钢板剪力墙高厚比(λ)和宽高比(L/H)对钢板墙受力性能影响时,保持钢板高度H=3 000 mm不变,高厚比为200~750,宽高比为0.33~ 2.00,加劲肋间距均为500 mm,加劲肋形式为一字形,双钢板间距均为150 mm,其余参数见表1.钢板及加劲肋均采用Q235B钢,屈服强度为235 MPa,弹性模量为2.06×105 N/mm2,泊松比为0.3,材料本构采用Chaboche提出的循环本构模型及文献[19]中给出的参数,初始缺陷取1/1 000墙高. 有限元分析程序采用ABAQUS,钢板、加劲肋均采用壳单元建立. 图2图1 两边连接内加劲双钢板剪力墙示意图Fig.1 Double steel plate shear walls connected at both sides121湖南大学学报(自然科学版)2023 年余试件仅宽度不同. 本文着重研究内加劲双钢板剪力墙的抗剪承载力,且考虑到上下层钢板对中间框架梁的平衡作用,假定钢板剪力墙下端完全固定,上端仅能发生平面内位移,有限元分析时忽略周边框架.2.2 高厚比的影响图3为不同λ下钢板剪力墙平均剪应力随层间侧移角的变化曲线(τ-θ曲线).由图3可见,不同宽高比条件下,不同λ时的τ-θ曲线均存在弹性、弹塑性及下降段3个阶段,且均存在峰值点;当宽高比一定时,随着高厚比的降低,剪应力骨架曲线逐渐增高.表1 试件参数表Tab.1 Main parameters of specimens试件类型内加劲双钢板剪力墙注:钢板厚度用t 表示,如MK-1.5-t 4表示钢板宽度为1.5 m 、钢板厚度为4 mm 的试件.试件编号MK-1.0MK-1.5MK-2.0MK-3.0MK-4.5MK-6.0高度(H )/mm3 000宽度(L )/mm1 0001 5002 0003 0004 5006 000宽高比(L /H )0.330.500.671.001.502.00单钢板厚度/mm4、6、8、10、12、15加劲肋宽度/mm150加劲肋厚度同钢板厚度图2 试件MK-2.0几何尺寸示意图(单位:mm )Fig.2 Geometry detail of MK-2.0 specimens (unit :mm)(a )L/H =0.33 (b )L/H =0.50(c )L/H =0.67 (d )L/H =1.00(e )L /H =1.50 (f )L /H =2.00图3 不同λ下的τ-θ曲线122第 11 期徐亚飞等:两边连接内加劲双钢板剪力墙抗剪承载力研究图4为不同宽高比L /H 下剪力墙的屈服平均剪应力与钢材屈服剪应力的比值τy /f v 及极限平均剪应力与钢材屈服剪应力的比值τu /f v 随高厚比λ的变化曲线. 由图4可见,当L /H 一定时,τy 和τu 均随高厚比λ的增大而降低,但降低的幅度逐渐变缓,表明采用厚板可以使钢材达到较高的平均应力水平,材料强度更能充分发挥.2.3 宽高比的影响图5为不同宽高比(L /H )下钢板剪力墙平均剪应力随层间侧移角的变化曲线(τ-θ曲线).由图5可见,在不同高厚比条件下,τ-θ曲线随宽高比(L /H )变化规律基本相同,均存在弹性、弹塑性及下降段或强化段,且都存在峰值点;随宽高比(L /H )的增大,剪应力骨架曲线逐渐增高,但屈服后剪应力变化不大,表明改变宽高比可显著提高钢板剪力墙的承载能力,但对延性影响不大.图6为不同λ下剪力墙的屈服平均剪应力与钢材屈服剪应力的比值τy /f v 及极限平均剪应力与钢材屈服剪应力的比值τu /f v 随宽高比L /H 的变化曲线.由(a )λ=750 (b )λ=500(c )λ=375 (d )λ=300(e )λ=250 (f )λ=200图5 不同宽高比(L /H )下的τ-θ曲线(a )τy /f v -λ(b )τu /f v -λ图4 不同L /H 下τy /f v 与τu /f v 随λ变化的关系曲线Fig.4 τy /f v -λ and τu /f v -λ relative curves under different L /H123湖南大学学报(自然科学版)2023 年图6可见,当λ一定时,τy 和τu 均随宽高比L /H 的增大而提高,但提高的幅度逐渐降低,表明采用宽高比较大的钢板可以使钢材达到较高的平均应力水平,材料强度更能充分发挥.3 骨架曲线简化计算模型3.1 极限强度与屈服强度比值根据第2节对两边连接内加劲双钢板剪力墙在低周反复荷载作用下的有限元分析结果,可知该类钢板剪力墙具有明显的3阶段特征. 采用能量等效方法对前述不同宽高比、不同高厚比的30个模型骨架曲线求取屈服点,并求得钢板剪力墙极限平均剪应力τu 与屈服平均剪应力τy 的比值τu /τy (强屈比)随高厚比、宽高比的变化如图7所示. τu /τy 的大小反应内加劲双钢板剪力τ-θ曲线上塑性阶段发展的长短,其值越大表明弹塑性阶段越长,屈服后安全储备越高,但过大将导致设计承载力与实际承载力偏差较大,使得设计参数失真,影响结构安全,因此τu /τy的大小一般要求不超过1.25. 由图7可见,τu /τy 比值一定的离散性.求取平均值后,规律性得到加强,离散性也大大减小,强屈比随高厚比变化介于1.17~1.21之间,随宽高比的变化介于1.16~1.21之间,平均值均为1.19.3.2 屈服平均剪应力与峰值平均剪力由3.1小节可知,两边连接内加劲双钢板剪力墙极限平均剪应力τu 与屈服平均剪应力τy 的比值基本稳定在1.19左右,为便于简化计算且有一定的安全系数,可将τ-θ曲线简化为理想双折线模型,如图8所示,其中G eq0为初始等效剪切模量.(a )τy /f v -L /H(b )τu /f v -L /H图6 不同λ下τy /f v 与τu /f v 随L /H 变化的关系曲线Fig.6 τy /f v - L/H and τu /f v -L/H relative curves under differentλ(a )λ(b )L /H图7 τu /τy 随λ和L /H 变化曲线Fig.7 Changes of τu /τy ratio under different λ and L /H图8 τ-θ曲线简化计算模型124第 11 期徐亚飞等:两边连接内加劲双钢板剪力墙抗剪承载力研究采用能量法确定第2节各试件的等效屈服点,并对等效屈服剪应力进行拟合,得到两边连接内加劲双钢板剪力墙屈服平均剪应力计算公式如下:τy =[0.366ln (L /H )-0.157λ+1.695] f v(1)式(1)适用于L /H =0.33~2.00,λ=200~750的两边连接内加劲双钢板剪力墙,采用式(1)得到屈服平均剪应力与有限元计算得到的等效屈服剪应力结果对比如图9(a )所示;峰值平均剪应力取1.19倍屈服平均剪应力,并与有限元计算得到峰值平均剪应力结果对比如图9(b )所示. 由图9可知,与有限元分析结果相比,拟合公式屈服平均剪应力计算结果吻合良好,最大误差为10.29%,其余均在10%之内;拟合公式峰值平均剪应力在L /H =0.33时误差较大,最大误差达到了17.45%,在其余宽高比条件下吻合良好,最大误差为10.40%. 表明采用拟合公式可以很好地计算内加劲双钢板剪力墙的屈服平均剪应力,并对峰值平均剪应力进行很好的估计.3.3 初始刚度与初始等效模量钢板剪力墙在水平荷载作用下的荷载-位移曲线在原点处的斜率即为“初始刚度”,用K 0表示,其单位为kN/m ;平均剪应力随层间侧移角变化曲线上各点与原点连线的斜率即为“等效割线剪切模量”,用G eq 表示,其单位为N/mm 2;与初始刚度K 0对应的等效剪切模量称为初始等效剪切模量,用G eq0表示. G eq0与K 0的关系为:G eq0=K 0HLt(2)根据结构力学位移计算原理可推导出两边连接钢板剪力墙初始刚度K 0的计算公式为:K 0=E s t1/()L /H3+2()1+νs ⋅k /()L /H (3)则初始等效剪切模量G eq0的计算公式为:G eq0=E s1/()L /H2+2()1+νs ⋅k(4)初始等效剪切模量G eq0与钢材剪切模量G s 的比值为:G eq0/G s =2()1+νs1/()L /H2+2()1+νs ⋅k(5)式中:E s 、G s 和νs 分别为钢材弹性模量、剪切模量和泊松比;k 为剪应力分布不均匀系数(对于截面取1.2).由式(2)~式(5)可知,钢板剪力墙初始刚度与宽高比和钢板厚度有关,初始等效剪切模量仅与钢板宽高比有关. 图10给出了采用式(5)得到的初始等效剪切模量与钢材剪切模量理论比值与相应有限元比值的对比结果,两者比值的均值为0.97,标准差为0.237,表明两者结果吻合良好,采用式(2)~式(5)计算内加劲双钢板剪力墙的初始刚度和初始等效剪切模量是可行的.(a )屈服平均剪应力(b )峰值平均剪应力图9 拟合公式计算值与有限元计算值对比Fig.9 The comparison between fitting formula value and finite图10 不同λ下G eq0/G s 随L/H 的变化曲线125湖南大学学报(自然科学版)2023 年4 等效计算模型采用现行设计程序对带钢板剪力墙的结构体系进行设计分析时,除建模烦琐外钢板墙的面外屈曲也很难精准模拟. 为便于钢板剪力墙的推广应用,须对钢板剪力墙的设计方法进行简化. 目前通行的简化方法是将钢板剪力墙等效为交叉杆模型[20],以便采用框架-支撑结构体系的设计分析方法. 本节采用该类方法建立如图11所示的等效交叉杆模型,模型中杆件均为拉压杆,倾角α按下式计算:α=arctan (H /L )(6)刚度按式(3)计算,屈服承载力可根据式(1)求得.V y =[0.366ln (L /H )-0.157λ+1.695] f v (2t )L(7)拉压杆截面面积A 、拉杆屈服强度σy 由下式求得:A =K 0L β(1+β)E cos 3α(8)σy =V y E cos 2αK L(9)式中:β为拉压杆屈服强度比;E 为弹性模量.β=(0.03λ-2.28)L /H +0.70(10)为检验等效交叉杆模型进行结构体系分析的精度,采用ABAQUS 建立有限元分析模型,与表1中试件对应共建立36个模型. 图12中给出了等效交叉杆模型计算结果与有限元模型计算结果对比,由图12可知,等效交叉杆模型精准地模拟了不同宽高比、不同高厚比两边连接内加劲双钢板剪力墙的屈服平均剪应力和初始刚度,表明可以采用等效交叉杆模型 5 结论本文进行了36个不同宽高比、不同高厚比两边连接内加劲双钢板剪力墙的有限元分析和理论分析,根据分析结果得到以下结论:1)宽高比一定时,屈服平均剪应力和峰值平均剪应力均随高厚比的增大而降低,但降低的幅度逐渐放缓,表明采用厚板可以使钢材达到较高的平均应力水平,材料强度更能充分发挥.2)高厚比一定时,屈服平均剪应力和峰值平均剪应力均随宽高比的增大而提高,但提高的幅度逐渐降低,表明采用宽高比较大的钢板可以使钢材达到较高的平均应力水平,材料强度更能充分发挥.3)峰值平均剪应力与屈服平均剪应力的比值随高厚比或宽高比变化的规律并不明显,强屈比随高厚比变化介于1.17~1.21之间,随宽高比的变化介于1.16~1.21之间,平均值均为1.19.图11 等效交叉杆模型Fig.11 Equivalent cross bracing model(a )屈服平均剪应力(b )初始刚度图12 等效模型计算值与有限元计算值对比Fig.12 The comparison between simplified model value andfinite element value126第 11 期徐亚飞等:两边连接内加劲双钢板剪力墙抗剪承载力研究4)给出了两边连接内加劲双钢板剪力墙屈服平均剪应力计算公式,可以较好地预测L/H=0.33~2.00、λ=200~750的内加劲双钢板剪力墙的屈服平均剪应力.5)采用结构力学位移计算原理推导的理论计算公式可准确计算内加劲双钢板剪力墙的初始刚度和初始等效剪切模量.6)采用等效交叉杆模型精准地模拟了不同宽高比、不同高厚比两边连接内加劲双钢板剪力墙的屈服平均剪应力和初始刚度,可以采用等效交叉杆模型简化两边连接内加劲双钢板剪力墙的设计与分析.参考文献[1]ASTANEH-ASL A. 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钢板剪力墙结构研究与工程应用概述
钢板剪力墙结构研究与工程应用概述摘要:钢板剪力墙指在钢框架结构基础上为提高结构刚度及抗震性能而在部分框架梁柱间内填钢板的结构。
研究学者们普遍认为这是一种抗震性能良好的结构形式。
这种结构自重轻,施工速度快,并且经受住了地震的考验。
关键词:钢板剪力墙结构应用概述(一)引言我国是地震多发地区,特别是2008年5月12日发生的汶川地震,给中国带来了巨大的灾难。
8.0级的强烈地震导致灾区房屋大量垮塌,很多群众被埋在废墟里,造成了极其严重的人民生命财产的损失。
研究发展抗震能力优越,能有效抵御强烈地震的抗侧力结构,使工程结构更加耐震,是非常有实际意义的。
近年来,在北美和日本开始兴起的钢板剪力墙结构,被研究学者普遍认为是一种抗震性能良好的结构形式。
钢板剪力墙结构指在钢框架结构基础上为提高结构刚度及抗震性能而在部分框架梁柱间内填钢板的结构。
在过去的几十年中,各国学者对这种结构进行了许多试验与理论方面的研究。
这些研究都得到了共同的结论:这种结构弹性初始刚度高、位移延性系数大、滞回性能稳定。
近年来得到了诸多研究者的关注,并在北京国贸大厦三期工程,天津市津塔工程等大型项目中得到了应用,有着独特优势并有良好发展前景。
这种结构在我国研究与应用均处于起步阶段,其抗震性能尚缺乏研究。
为推动钢板剪力墙在多高层结构中的应用,需要对其整体抗震性能进行深入的理论及试验研究。
加拿大钢结构设计规范CSA S16-01定义:钢板剪力墙是一种有横向加劲的墙板,用以在结构中抵抗侧力。
柱子作为墙板的翼缘构件,框架梁作为墙板的横向加劲。
薄钢板与其周围的梁柱在各层连接构成内填板构件。
内填板周边约束梁柱分别简称为周边柱、周边梁,非内填板约束构件称为框架梁、框架柱。
其主要分类如下,并如图1.1所示:1. 无加劲钢板剪力墙;2. 加劲板钢板剪力墙;3. 开缝钢板剪力墙;4. 钢板-混凝土组合剪力墙。
a)无加劲钢板剪力墙b) 加劲钢板剪力墙c)带缝钢板剪力墙d)组合钢板剪力墙图1.1钢板剪力墙分类Fig. 1.1 Different types of steel plate shear wall structure图1.2无加劲钢板剪力墙Fig. 1.3 Unstiffend steel plate shear wall structure在20世纪70年代和80年代,美国大部分采用钢板剪力墙的建筑都在钢板的两侧设置纵向和横向加劲肋。
槽钢加劲钢板剪力墙受力性能研究
相对距离对弹性屈曲应力的影响
不同 λ 下的 τ cr / τ cr, 0 λ = 150 68. 55 68. 54 68. 52 68. 50 68. 13 67. 43 65. 82 λ = 350 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 0. 99 0. 98 0. 96 λ = 300 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 0. 99 0. 98 0. 95 λ = 250 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 0. 99 0. 98 0. 95 λ = 200 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 0. 99 0. 98 0. 95 λ = 150 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 0. 99 0. 98 0. 96
— —马尤苏夫, 槽钢加劲钢板剪力墙受力性能研究 — 等
表1 Table 1
n /% 0. 5 1. 0 1. 5 2. 0 2. 5 3. 0 4. 0 λ = 350 12. 68 12. 71 12. 71 12. 70 12. 61 12. 46 12. 14 λ = 300 19. 69 19. 71 19. 71 19. 71 19. 53 19. 31 18. 82 不同 λ 下的 τ cr / MPa λ = 250 28. 11 28. 13 28. 13 28. 12 27. 84 27. 53 26. 83
为避免边缘构件与槽钢加劲肋间产生相互作 用, 通常加劲肋不与边缘构件连接。 槽钢至边缘距 离过小会导致钢板局部出现明显的应力集中 , 且不 ; , 便于施工 距离过大会影响加劲效果 从而影响钢板 墙的性能。因此, 在结构设计时应选取合理的间距 。 d 为槽钢至梁边缘的距 定义相对距离 n ( n = d / h, h 为层高, 离, 各参数如图 2 所示 ) 来评价槽钢与钢 梁间的分离程度。4 卷第 10 期
十字加劲肋钢板剪力墙低周反复荷载的试验
KEY W ORDS co ssie e te lt h a l rs-tf n dselpaes erwal - f
lw y l o dn o c ci la ig c
p s- u kig srn t otb c l te g h - n
过去 的几 十 年 中 , 世 界 范 围 内 钢板 剪 力 墙 已 在 经作 为一 种新 型 的 抗 侧 力 体 系在 中 、 高层 建 筑 中得 到 了应用 。针 对钢 板 剪力 墙 的抗 侧 力 以及抗 震 性能
已有大量试验针对在 水平荷载 作用下无加劲肋平面 薄钢 板剪 力墙进 行研 究。对高厚 比约为 40, 0 比例 为 1 3的 两 : 个单层 单跨 十字加劲肋钢板 剪力墙在低 周反复荷栽作 用 下的抗震 性 能进 行研 究 , 重点研 览 了钢板墙 抗剪承 栽力 、 变形能力 、 坏特 征 、 破 构件 延性 和耗 能能力等受 力特 性。试验 结 果表 明: 试件 具有较 大的初始 刚度 , 并且 具有很好
进行 的大 量试验 以 及 有 限元 分 析 表 明 , 板 剪 力 墙 钢
的 延 性 以厦 耗 能性 能 。 可 为钢 板 墙 结 构 利 用 屈 曲后 强度 度 抗 震 设 计 提 供 依 据 。 关 键 词 十 字加 劲肋 钢板 剪 力 墙 低 周 反 复 荷 栽 屈 曲 后 强 度
CYCLI TES OF C T CR0S S FFENED TEEL S- TI S PLATE HEAR ALL S W
w l ( I W )u d r aea l d . o y l dn x ei n f WO1 3 sa ei n f n —a n l s r er a s S l S n e trlo s L we t : cl s c O t e p me s eb ys ge t ys a oo i o h
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式中:a1——剪力墙板区格宽度(mm);
h1——剪力墙板区格高度(mm);
εk——钢号调整系数;
t w——钢板剪力墙的厚度(mm)。
9.2.4 同时设置水平和竖向加劲肋的钢板剪力墙,加劲肋的刚度参数宜符合下列公式的要求。
式中:ηx、ηy——分别为水平、竖向加劲肋的刚度参数;
E——钢材的弹性模量(N/m m2);
I sx、I sy——分别为水平、竖向加劲肋的惯性矩(m m4),可考虑加劲肋与钢板剪力墙有效宽度组合截面,单侧钢板加劲剪力墙的有效宽度取15倍的钢板厚度;
D——单位宽度的弯曲刚度(N·mm);
v——钢材的泊松比。
9.2.5 设置加劲肋的钢板剪力墙,应根据下列规定计算其稳定性:
1 正则化宽厚比λn,s、λn,σ、λn,b应根据下列公式计算:
式中:f yv——钢材的屈服抗剪强度(N/m m2),取钢材屈服强度的58%;
f y——钢材屈服强度(N/m m2);
τcr——弹性剪切屈曲临界应力(N/m m2),按本标准附录F的规定计算;
σcr——竖向受压弹性屈曲临界应力(N/m m2),按本标准附录F的规定计算;
σbcr——竖向受弯弹性屈曲临界应力(N/m m2),按本标准附录F的规定计算。
2 弹塑性稳定系数φs、φσ、φbs应根据下列公式计算:
3 稳定性计算应符合下列公式要求:
式中:σb——由弯矩产生的弯曲压应力设计值(N/m m2);
τ——钢板剪力墙的剪应力设计值(N/m m2);
σG——竖向重力荷载产生的应力设计值(N/m m2);
f v——钢板剪力墙的抗剪强度设计值(N/m m2);
f——钢板剪力墙的抗压和抗弯强度设计值(N/m m2);
σσ——钢板剪力墙承受的竖向应力设计值。
条文说明
9.2.2 加劲肋采取不承担竖向应力的构造的办法是在每层的钢梁部位,竖向加劲肋中断。
不承担竖向荷载,使得地震作用下,加劲肋可以起到类似屈曲约束支撑的外套管那样的作用,能够提高钢板剪力墙的抗震性能(延性和耗能能力)。
9.2.3 为简化设计,本标准直接给出了加劲肋的间距要求,式(9.2.3-2)适用于竖向加劲肋采用闭口截面的情况,即加劲肋采用槽形或类似截面,其翼缘的开口边与钢板墙焊接形成闭口截面的情况。
图10为加劲钢板剪力墙示意。
设计时,加劲肋分隔的区格,边长比宜限制在0.66~1.5之间。
9.2.4 经过分析表明,在设置了水平加劲肋的情况下,只要ηx、ηy≥22,就不会发生整体的屈曲,计入一部分缺陷影响放大1.5倍即ηx、ηy≥33。
竖向加劲肋,虽然不要求它承担竖向应力,但是无论采用何种构造,它都会承担荷载,其抗弯刚度就要折减,因此对竖向加
图10 加劲钢板剪力墙示意
1-钢梁;2-钢柱;3-水平加劲肋;4-竖向开口加劲肋;5-竖向闭口加劲肋;6-贯通式加劲肋兼梁的翼缘劲肋的刚度要求增加50%。
9.2.5 剪切应力作用下,竖向和水平加劲肋不受力,加劲肋的刚度完全被用来对钢板提供支撑,使其剪切屈曲应力得到提高,此时按照支撑的概念来对设置加劲肋以后的临界剪应力提出计算公式。
ANSYS分析表明,《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99-98的公式,即式(30)不够安全:
这个公式本身,按照正交异性板剪切失稳的理论分析来判断,已经非常保守,但与ANSYS的剪切临界应力计算结果相比仍然偏大。
因此在剪切临界应力的计算上,我们放弃正交异性板的理论。
在竖向应力作用下,加劲钢板剪力墙的屈曲则完全不同,此时竖向加劲肋参与承受竖向荷载,并且还可能是钢板对加劲肋提供支承。
第四章9.3 构造要求
9.3.1 加劲钢板墙可采用横向加劲、竖向加劲、井字加劲等形式。
加劲肋宜采用型钢且与钢板墙焊接。
为运输方便,当设置水平加劲肋时,可采用横向加劲肋贯通、钢板剪力墙水平切断等形式。
9.3.2 加劲钢板剪力墙与边缘构件的连接应符合下列规定:
1 钢板剪力墙与钢柱连接可采用角焊缝,焊缝强度应满足等强连接要求;
2 钢板剪力墙跨的钢梁,腹板厚度不应小于钢板剪力墙厚度,翼缘可采用加劲肋代替,其截面不应小于所需要的钢梁截面。
9.3.3 加劲钢板剪力墙在有洞口时应符合下列规定:
1 计算钢板剪力墙的水平受剪承载力时,不应计算洞口水平投影部分。
2 钢板剪力墙上开设门洞时,门洞口边的加劲肋应符合下列规定:
1) 加劲肋的刚度参数ηx、ηy不应小于150;
2) 竖向边加劲肋应延伸至整个楼层高度,门洞上边的边缘加劲肋延伸的长度不宜小于600mm。
条文说明
9.3.2 虽然按本标准第9.2节计算加劲钢板剪力墙时不考虑屈曲后强度,但考虑到钢板剪力墙主要使用对象为多高层钢结构,同时一般均需考虑地震作用而且采用高延性-低承载力的抗震设计思路,在地震作用下考虑钢板剪力墙发生屈曲,弹性阶段由钢板剪力墙承担的竖向荷载将转移到框架梁和柱,因此钢板剪力墙与柱的连接应满足等强要求。
但由于强烈地震后钢板剪力墙属可替换构件,连接构造要求可适当放宽,采用对接焊缝时焊缝质量可采用三级。
另外,考虑施工安装的便利性,也可采用钢板与框架梁柱连接。