多箱截面鋼板剪力墻靜力性能分析

趙滇生,段坤朋

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310014 )

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多箱截面鋼板剪力墻靜力性能分析

趙滇生,段坤朋

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310014 )

研究了多箱截面鋼板剪力墻的靜力性能,利用有限元軟件ANSYS分析單塊矩形板模型,計(jì)算結(jié)果與經(jīng)典解對(duì)比驗(yàn)證。然后再建立單層和多層多箱截面剪力墻,通過(guò)求解水平極限荷載,研究箱室數(shù)量和寬厚比對(duì)剪力墻靜力性能的影響。

多箱；鋼板剪力墻；靜力性能

鋼板剪力墻興起于20世紀(jì)七八十年代,是由周邊梁柱、內(nèi)嵌鋼板、連接件和加勁肋等組成[1]。在國(guó)家提倡大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑的背景之下,鋼板剪力墻具有整體性好,能充分發(fā)揮鋼板的各項(xiàng)潛能等優(yōu)點(diǎn),是多高層鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用前景廣闊的抗側(cè)力構(gòu)件。

多箱截面鋼板剪力墻作為一種新型鋼板剪力墻,其基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。本文著重研究在水平荷載作用下,各項(xiàng)幾何參數(shù)對(duì)多箱截面鋼板剪力墻靜力性能的影響規(guī)律。

圖1　多箱截面剪力墻示意圖

1　多箱截面鋼板剪力墻的簡(jiǎn)化處理和能量法初步分析

多箱截面鋼板剪力墻的簡(jiǎn)化計(jì)算模型見(jiàn)圖1,在水平荷載的作用下,該模型顯然將在第n箱室處發(fā)生局部屈曲,因此對(duì)于多箱截面鋼板剪力墻剪切屈曲分析可以簡(jiǎn)化為對(duì)箱室n外圍鋼板,即長(zhǎng)度方向薄板剪切屈曲分析。

均勻受剪矩形板的臨界荷載計(jì)算公式[2]為：

(1)

式中：a、h和t分別為矩形板長(zhǎng)度、寬度和厚度；

Ks、D和μ分別為板剪切屈曲系數(shù)、單位寬度板的抗彎剛度和泊松比。對(duì)于四邊簡(jiǎn)支的受剪鋼板,Ks按式(2)計(jì)算。

(2)

2　計(jì)算模型的建立和驗(yàn)證

采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行分析。鋼板采用SHELL181單元,彈性模量E=206GPa,泊松比μ=0.3。網(wǎng)格密度保證分析能得到穩(wěn)定的結(jié)果[3]。剪力施加在矩形板四周邊上,四邊中間節(jié)點(diǎn)剪力為1,四個(gè)角點(diǎn)的剪力為1/2,見(jiàn)圖2。邊界條件為約束四邊節(jié)點(diǎn)的平面外位移,即自由度3。同時(shí)為防止矩形板發(fā)生剛體位移[4],約束矩形板中間一點(diǎn)的自由度1和自由度2。彈性計(jì)算的結(jié)果表明,在圖示荷載的作用下,矩形板處于純剪應(yīng)力狀態(tài)。

圖2　純剪矩形板加載示意圖

取h=3 000mm,a=3 000mm,t=10mm的四邊簡(jiǎn)支矩形板分析。有限元法分析得到的剪切屈曲系數(shù)Ks=9.29,而精確理論解為9.34,兩者誤差極小,表明有限元分析過(guò)程正確可行。

接著,建立單層建筑多箱截面鋼板剪力墻整體有限元模型分析其靜力性能。取層高h(yuǎn)=3 000mm,剪力墻總寬度b=3 000mm,單箱寬度b1=600mm,墻厚度d=200mm,鋼板厚度t=6mm。

由屈曲模態(tài)分析可知,多箱截面鋼板剪力墻的屈曲是因局部屈曲而失效,而局部屈曲主要發(fā)生在最外邊箱室底部,與前面的預(yù)計(jì)一致,再次說(shuō)明用板的剪切屈曲簡(jiǎn)化計(jì)算多箱截面鋼板剪力墻極限荷載的方法的正確性。另外可以發(fā)現(xiàn),一階屈曲模態(tài)圖中局部范圍內(nèi)屈曲位移較大,其余位置屈曲位移均較小。因此,為提高剪力墻的水平極限承載力,可以在兩側(cè)最外箱內(nèi)設(shè)置加勁肋。

3　幾何參數(shù)對(duì)多層建筑多箱截面鋼板剪力墻靜力性能的影響

圖3　3層建筑多箱截面鋼板剪力墻荷載施加情況

水平極限荷載是衡量剪力墻靜力性能的重要參數(shù),在此著重分析多箱形截面剪力墻的水平極限荷載?？紤]實(shí)際工程常用尺寸,建立3層建筑多室箱形閉口截面剪力墻模型,荷載施加情況見(jiàn)圖3。并取5箱為標(biāo)準(zhǔn)模型,其水平極限荷載記為Fs,其余模型均是由標(biāo)準(zhǔn)模型改變幾何參數(shù)得到。

3.1箱數(shù)n的影響

建立多層多室箱形閉口截面有限元模型,其幾何參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1及圖4,其中Fni表示模型編號(hào)為n-i(i=3,4,5,6,7)的水平極限荷載。

表1　不同箱室數(shù)量的有限元分析結(jié)果

圖4　箱室數(shù)量對(duì)剪力墻水平極限荷載的影響

由表1和圖4可知,當(dāng)其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變,隨著多箱截面鋼板剪力墻箱室數(shù)量的增加,其水平極限承載力逐漸增加,兩者之間接近線性關(guān)系。

當(dāng)上述模型的鋼板厚度t=10mm,仍然以5箱作為基礎(chǔ)模型,其計(jì)算結(jié)果曲線見(jiàn)圖4,兩條曲線基本相同,再次驗(yàn)證箱數(shù)對(duì)剪力墻水平極限荷載的影響規(guī)律。

分析上述現(xiàn)象的原因,是在其他參數(shù)不變的情況下,隨著箱室數(shù)量的增加,剪力墻總寬度b線性增加,抗彎能力的內(nèi)力臂和抗剪能力的橫截面呈線性增加,決定剪力墻的水平極限承載力基本呈線性增加。

3.2寬厚比γ的影響

定義寬厚比γ= b1/t,高厚比λ=h/t。建立多層多箱截面剪力墻有限元模型,其幾何參數(shù)和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2和圖5,其中Fti表示模型編號(hào)為t-i(i=5,6,8,10,12,15,20)的水平極限荷載。

表2　不同寬厚比的有限元分析結(jié)果

圖5　寬厚比剪力墻水平極限荷載的影響

由表2和圖5可以看出,其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變的情況下,隨著寬厚比的降低,多箱截面剪力墻的水平極限荷載逐漸增加。模型t-12水平極限承載力為基礎(chǔ)模型的7.96倍,表明寬厚比的改變對(duì)提高多箱截面鋼板剪力墻的水平極限荷載具有顯著的作用。

選取單箱寬度b1=750mm的模型,其厚度變化和上述模型相同,計(jì)算結(jié)果Fti/Fs與圖5曲線完全相同,再次驗(yàn)證寬厚比對(duì)剪力墻性能的影響規(guī)律。

有限元分析結(jié)果表明,上述模型的破壞形式,均是由于局部屈曲導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失效。剪切屈曲應(yīng)力表達(dá)式為

(3)

對(duì)多箱截面鋼板剪力墻來(lái)說(shuō),一般情況下lmax遠(yuǎn)大于lmin,以本小節(jié)模型為例,(t/lmin)2=1.0×10-4,(t/lmax)2=4×10-6,兩者相差25倍,因此t/lmin,即寬厚比為剪切應(yīng)力的主要控制項(xiàng),本文將不再分析高厚比對(duì)剪力墻靜力性能的影響。式(3)也解釋了寬厚比對(duì)剪力墻靜力性能的影響規(guī)律,即隨著寬厚比的降低,多箱截面剪力墻的水平極限荷載逐漸增加。

4　結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)對(duì)多箱截面鋼板剪力墻屈曲的水平極限承載力的分析,可以得到以下結(jié)論：

1)多箱截面鋼板剪力墻水平極限荷載隨著箱室數(shù)量n的增長(zhǎng)而增長(zhǎng),且兩者接近線性關(guān)系；

2)隨著寬厚比的降低,多箱截面鋼板剪力墻的水平極限荷載逐漸增加,且寬厚比的改變對(duì)提高多箱截面鋼板剪力墻的水平極限荷載具有顯著的作用。

[1]DriverRG.Steelplateshearwallnowperformingonmainstage[J].ModernSteelConstruction,2001(9)：48-58．

[2]陳驥.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社,2014．

[3]趙偉,楊強(qiáng)躍,童根樹(shù). 鋼板剪力墻加勁肋剛度及彈性臨界應(yīng)力研究[J]. 工程力學(xué),2010,27(6)：15-23.

[4]任濤. 工字梁腹板在局部承壓和剪力作用下的彈性屈曲及極限承載力[D]. 杭州：浙江大學(xué),2005．

Analysis on the Static Performance of the Steel Plate Shear Wall with Multi-Box Section

ZHAO Diansheng, DUAN Kunpeng

2016-04-07

趙滇生 (1957—),男，浙江義烏人，副教授，研究方向?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)。

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