十字加劲钢板剪力墙的抗剪极限承载力

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作者简介 ： 陈国栋 B "A?? > 程师。 收稿日期 ： 4::4 年 ? 月 C， 男， 福建福州人， 工学博士， 总工
引言
长期以来，梁受剪腹板以弹性屈曲应力 !1& 作为承 载极限状态， 即 !$ !1& 不能利用板的屈曲后强度， 导致 材料消耗增多。 +(3)2& N " O 和 P$&02& N 4 O 等学者对梁腹板研究 !"
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，薄板屈曲后将产生很大的斜向拉
力作用于周边梁柱构件上，墙板周边柱子应承担由此 产生的横向拉力，而作用在水平横梁的上下层拉力带 自相平衡， 拉力差值较小， 故上述横梁为刚性的假定是 合理的。 文中假定材料为理想弹塑性， 考虑在 & V @" &1 处的刚度强化，$D3 V /W @ $，其中，&1 为单向拉伸屈服 时应变。
抗剪极限承 载力
为研究和叙述方 便，本文定义的非加劲 钢板分类如下：厚板 !$@//，薄板 !X ";/， 中厚板 @// Y !$";/。 文献 , " . 、, ; . 认为， 受 剪薄板的破坏经历三
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十字加劲板
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个阶段，弹性屈曲阶段、拉力带形成阶段和机构形成 阶段。厚板的弹性屈曲荷载高，拉力带的形成较为困 难，其受力状态接近于平面应力受力状态，板能承受
H 基本分为两折线 G B（ 图 #） ： 线性上升段和水平段。图 #
中 !; 为 屈 服 剪 应 力 !; A "; I " "， "; 为 屈 服 剪 应 变 当 " I ";&# 以后， 薄板主拉应 "; A !; I #。研究发现， 力基本上达到屈服强度， 主压应力为零； 而厚板各应力 分量继续发生变化， 主拉应力继续增大， 而主压应力减 小。因此， 厚板 !!" 曲线的水平段有微小的上升， 而薄 板 !!" 曲线水平线略有下降。刚性边界的钢板墙板上 各点应力相等，加劲肋的作用可忽略不计，加劲板的 详见图 # 中 $ A JC、 !!" 曲线与非加劲板的完全重合， 研究同时发现， 厚板的非线性 "C、 BC、 JCC 的重合曲线。 行为是由材料弹塑性引起的，薄板产生的面外鼓曲现 象明显，其非线性行为是由几何非线性和材料弹塑性 共同引起的。曲线转折处的相对平均剪应变 " $ "; 约 相当于层间侧移角 J I DKB。 为 J’ #， 虽然加劲肋对刚性边界钢板墙的极限承载力没有 影响， 但能大幅度提高局部弹性屈曲荷载， 屈曲荷载由 弹性屈曲系数 % 表示，如图 "，%C 为面外四边铰接受 剪板的弹性屈曲系数。当 $&"C 时， 加劲肋刚度对 !(* 的增大作用减弱， 继续增大 $ 值是不经济的。图 D 是 两种形式钢板墙的变形图。 !" $ 具有弹塑性边柱的钢板剪力墙 实际工程中， 钢板墙周边柱子在轴力、 弯矩和剪力
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分析模型
在本课题试验研究的基础上 , P . ， 本文理论分析假
定：焊接钢板墙边柱的翼缘与腹板均不发生局部屈曲 破坏， 横梁为刚性构件； 铰接的梁柱节点不承担墙顶面 内侧移所产生的弯矩，以重点分析内嵌钢板墙本身的 抗剪工作机理， 分析模型如图 @ 所示。 十字形分布的平 板加劲肋两面成对布置并与钢板焊接。从非加劲肋钢 板墙的研究发现
较大的主压应力。相反地，薄板在主压应力方向受压 屈曲， 主拉应力增加进而形成拉力带以抵抗外荷载， 其 面外变形与面内变形为同一数量级，甚至大于面内变 形。因此，板的屈曲后强度研究需运用板的大挠度理 论， 并考虑材料弹塑性。 !" # 具有刚性边界的钢板剪力墙 钢板墙的受力特性与周边构件关系密切。刚性边 界钢板剪力墙的剪应力 F 墙顶侧移剪应变（ !!"）曲线
（"7 浙江精工钢结构有限公司， 浙江绍兴 D"4:D:； 北京 ":::@;） 47 清华大学 土木工程系，
《高层民用建筑钢结构技术规程 》 摘要： 我国 规定了钢板墙剪切弹性屈曲不先于剪切屈服， 其明显的不足是没有利用板的 屈曲后强度， 同时弹性屈曲也不能作为结构在弹塑性阶段的设计指标。本文应用板的大挠度弹塑性有限元方法对十字加 劲方形钢板剪力墙的屈曲后性能和极限承载力进行了系统的研究，并在大量数值分析的基础上，提出了以板的平均剪切 应变相应的剪应力作为钢板剪力墙承载能力的极限状态，以达到利用薄板屈曲后强度的目的，进而提出了钢板剪力墙承 载力的设计简化计算公式及钢板墙侧柱刚度阈值的计算公式， 供设计参考。 数值计算结果表明， 影响钢板墙抗剪性能主要 有三个参数： 板高厚比、 肋板刚度比和边柱刚度。 关键词：加劲钢板剪力墙；屈曲后强度；板高厚比；肋板刚度比；柱刚度 中图分类号 ：EFDA47 D 文献标识码： G
L$30J=%1_),’. 30&2’.0I (’- 2)(30,1JL)(30,1 =2I(],$&7 ‘’ 0I,3 L(L2&8 0I2 L$30J=%1_),’. =2I(],$& $* 3022) L(’2) M,0I 1&$33 30,**2’2&3 M(3 ,’]230,.(02- 0I2$&20,1())K %’-2& 3I2(& )$(-,’. =(32- $’ 0I2 )(&.2 -,3L)(12H2’0 2)(30$L)(30,1 0I2$&K $* L)(028 MI2&2 0I2 3022) L(’2) M(3 *&(H2- =K L,’J1$’’210,’. 3a%(&2 3022) *&(H27 EI&22 H$30 ,HL$&0(’0 L(&(H202&3 M2&2 2HL)$K2,’ 0I2 (’()K3,3 ,’1)%-,’. L(’2) 3)2’-2&’233 &(0,$ !8 30,**’233 &(0,$ $* 30,**2’2& 0$ L(’2) " (’- 1$)%H’ 30,**’233 #7 9%J H2&,1() &23%)03 M2&2 L&232’02- =K %3,’. <Sb 30&%10%&2 (’()K3,3 L&$.&(H8 ’(H2)K 0I2 G9/V/ L(1_(.27 EI2 30,**2’2- (’%’30,**2’2- 3022) L(’2)3 =2I(]2- I,.I )$(-J1(&&K,’. 1(L(1,0K (’- .$$- -%10,),0K8 (’- 30&233 !" 1$&&23L$’-,’. 0$ (]2&(.2 3I2(& 30&(,’ $ ! $K M(3 3%,0(=)2 0$ L&2-,10 ,03 %)0,H(02 )$(-J1(&&K,’. 1(L(1,0K8 MI2&2 0I2 L$30J=%1_),’. 30&2’.0I $* 0I2 L(’2) M(3 ,’]$)]2- 0$ ,’1&2(32 ,03 3I2(&J1(&&K,’. 1(L(1,0K7 Q$)%H’ 30,**’233 I(- .&2(0 ,’*)%2’12 $’ 0I2 L$30J=%1_),’. =2I(],$& $* 3022) 0I,’JM())2- L(’2)8 MI,)2 ,0 I(- ),00)2 ,’*)%2’12 $’ 0I(0 $* 0I,1_JM())2- L(’2)7 EI2 30,**’233 (’L$30J=%1_),’. =2I(],$& $* 0I,’JM())2- L(’2) M,0I M2(_ 1$)%H’3 1(’ =2 .&2(0)K ,HL&$]2- =K 3200,’. " 0$ D:7 EI2 *$&H%)(2 *$& -202&H,’,’. %)0,H(02 )$(- $* 3022) L)(02 3I2(& M()) (’- 0I&23I$)- ]()%2 $* 1$)%H’ (&2 L&$L$32-7 )*+,-%.#： 30,**2’2- 3022) L)(02 3I2(& M())； L$30J=%1_),’. 30&2’.0I；3)2’-2&’233 &(0,$ $* L(’2)； 30,**’233 &(0,$ $* 30,**2’2& 0$ L(’2)； 1$)%H’ 30,**’233
发现， 周边约束的受剪板具有非常高的屈曲后强度， 板 屈曲并不意味其丧失承载能力。欧洲钢结构规范 （#$$%） （&’%$） 和美国钢结构规范 先后采纳了屈曲后 强度设计准则，为梁腹板屈曲后强度的工程应用开辟 了先河。 《高层 在钢板剪力墙结构中，&’%$、 #$$% 和我国 ,-. （()(**—*+） （下称 《高规》 ） 民用建筑钢结构技术规程》 均规定了钢板墙剪切弹性屈曲不先于剪切屈服。 基 于这种设计准则，全球采用钢板墙作为抗侧力结构的 建筑共有二十几幢，主要分布于北美和日本等高烈度 地震区。在美国， 具有代表性的两幢建筑是： 德州达拉 斯 -/ 层的 01233 4565781 0935:，宾州比兹堡 ;/ 层的 <5::97 =27> $5735?；@*!@ 年发生在 %27 A?5727B9 的地 震使许多建筑物倒塌， C535?27D 医疗管理局决定对震 区医院建筑进行加固，使用了大量的钢板剪力墙加固 方案。在日本，全世界第一座采用钢板墙的建筑是位 于东京 "/ 层高的 EFGG97 %355: HIIF85， 另一幢高层钢板 我国上海 墙结构是 ;- 层高的 %JF7KL>L E9ML?2 N9O5?。 在这 PP 层的新锦江饭店核芯筒也采用了钢板墙结构。 些钢板墙结构设计中，均采用厚板或加劲钢板墙结构 方案，其设计遵循了钢板墙剪切弹性屈曲不先于剪切 屈服的原则。 以弹性屈曲荷载为承载能力极限状态存在着两个 Q @ R 不能利用板的屈曲后强度， 问题： 这样钢板墙势必 要采用厚板或强大的加劲体系，造成剪力墙板结构经 Q " R 以弹性屈曲指标衡量结构进入弹塑性阶 济性降低； 段是不合理的， 在抗震设计第二阶段， 不仅要求结构有 足够的承载力，更要求有足够的延性。在钢板剪力墙 应用研究方面， SL:2> , T . 和 #:622:1 , ! U * . 等人对非加劲薄 壁钢板墙进行了较为系统的理论与试验研究，但对工 程中常用高厚比受剪板的研究广度不足，对纵横加劲 板屈曲后强度的研究深度不足，研究中也没有提出非 加劲薄壁钢板墙利用屈曲后强度的设计准则和相关公 式， 并且没有涉及周边构件刚度、 加劲肋和板高厚比对 钢板墙屈曲后性能的影响。 由于上述应用研究不足，本文对加劲和非加劲的 厚壁与薄壁钢板墙的屈曲后性能进行了理论分析，提 出了钢板墙承载力设计简化计算公式及钢板墙侧柱刚 （板 度阈值计算公式， 供设计参考。分析表明， 三参数 高厚比 !、 能详尽地描述钢 肋板刚度比 " 和柱刚度 #） 板墙的屈曲后性能和周边构件的影响。本文的三参数 !"
第 45 卷第 " 期 4::; 年 4 月 文章编号： "::: > ?@?A B 4::; C :" > ::!" > :@
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十字加劲钢板剪力墙的抗剪极限承载力
陈国栋Байду номын сангаас"8 郭彦林 4
定义如下： " 板高厚比 ! ! 、加劲肋与钢板的面外刚度比 " #G $ ! "$8 D “肋板刚度比” ） V $%（ 下称 ； 柱刚度 # V 8? ! 。 其 &" ’1 !8" $# 中， 板的柱面刚度 & V （ G "" 。以上各式中，" 为 )） @" @ ( " 板的净宽度， #G 为板厚， $ 为钢板弹性模量， $8 为钢柱 弹性模量，!8 为钢柱长细比，% 为泊松比，%D 为加劲肋 绕内嵌钢板板面中心线的惯性矩， $8? 为柱弹性屈曲临 界应力， ’1 为钢材屈服强度。
F)0,H(02 3I2(&J1(&&K,’. 1(L(1,0K $* 3022) L)(02 3I2(& M()) M,0I 1&$33 30,**2’2&3
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