基于力学性能的VV-SPSW合理参数取值★

赵雅梅 张福建 张举兵

(1.阳泉市建筑设计院，山西 阳泉 045000；2.国核电力规划设计研究院，北京 100095；3.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

基于力学性能的VV-SPSW合理参数取值★

赵雅梅1张福建2张举兵3

(1.阳泉市建筑设计院，山西 阳泉 045000；2.国核电力规划设计研究院，北京 100095；3.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

利用ANSYS10.0软件，对高度为2.5 m的VV-SPSW模型进行了大量参数化分析，研究了跨高比、高厚比、加劲肋间距和截面对VV-SPSW相关力学性能的影响，提出了基于极限荷载、初始刚度及剪切临界屈曲荷载的VV-SPSW若干几何参数和物理参数的合理取值范围。

力学性能，VV-SPSW，几何参数，物理参数

1 概述

新型抗侧力构件VV-SPSW由于仅与框架梁相连接(见图1)，避免了钢板墙拉力带直接将荷载传递到框架柱所引起的不利影响，同时有效地解决了薄钢板剪力墙在竖向荷载作用下容易过早屈曲的问题，在高层混合结构中具有广阔的应用前景[1]。本文利用有限元软件ANSYS10.0对VV-SPSW进行了参数化分析，在此基础上提出了基于极限荷载、初始刚度等力学性能的VV-SPSW相关几何参数和物理参数的合理取值范围。

2 ANSYS建模分析

使用有限元软件ANSYS10.0对VV-SPSW建模时，单板计算模型高度均为2.5 m，其他建模数据均同文献[2]。图2为在ANSYS10.0中的VV-SPSW有限元模型图。

3 几何参数——跨高比(L/H)

分别取小跨高比(0.5～1.5)和大跨高比(1.5～2.5)进行有限元分析。结果表明，钢板厚度一定时，不考虑加劲效应的影响，钢板墙的极限荷载、初始刚度随着跨高比的增加近似呈线性增长(见图3)。

临界剪切屈曲荷载随L/H增大而增大，但在L/H>1.0之后增幅趋于平缓，由于加劲效应的影响，部分模型甚至出现幅度较小的降低，如图4所示跨高比为1.0及2.25处。临界轴压屈曲荷载随跨高比的增大而呈降低的趋势，但是当跨高比大于1.0之后变化趋于平缓，尤其是跨高比大于1.5之后，变化非常微小，如图5所示。

小跨高比VV-SPSW适用于门窗及过道布置，也便于结构工程师灵活调整结构刚度。但跨高比过小，其初始刚度、极限荷载及临界剪切屈曲荷载均较小，结构的抗侧能力不足。因VV-SPSW的临界剪切屈曲荷载和轴压屈曲荷载在L/H>1.0后变化趋于平缓，故在考虑加劲效应的影响后，可将钢板墙的跨高比下限取1.0。

有限元分析表明，钢板墙的滞回曲线随着跨高比的增大会出现一定程度的捏拢现象，且跨高比越大捏拢现象越明显[3]，VV-SPSW的试验结果也证明了这一点[4]。而且构件的能量耗散系数绝大多数也会随着跨高比的增大呈现降低的趋势[5]。同时，限制VV-SPSW的跨高比，有利于提高其轴压稳定性，从而提高其竖向承载力，且大跨高比钢板墙不利于门窗等的布置。综合考虑以上因素，建议跨高比的上限值取2.0。

4 几何参数——高厚比(H/t)

钢板墙的初始刚度、极限荷载、临界屈曲荷载均随钢板厚度的增加近似呈线性增长(见图6)。若板厚过小，则结构的初始刚度及承载力均较低，不利于控制结构在水平荷载下的侧移。且钢板墙滞回曲线的饱满程度随板厚的减小而呈降低的趋势，捏缩效应也随着板厚的减小而出现得越早。但钢板墙厚度过大时，用钢量也会随着增大，成本较高。较厚的钢板墙还会限制其拉力带的发展，不利于利用钢板墙的屈曲后强度，造成一定的浪费。结合本课题的研究，建议钢板墙的最小厚度取10 mm，最大厚度不超过20 mm。

5 几何参数——加劲肋间距

加劲肋的存在将钢板墙划分为更小的区隔，从而提高了钢板墙的局部屈曲承载力，因而适当减小加劲肋间距可有效增强钢板墙的整体稳定性，避免钢板墙在发生整体屈曲前过早的发生局部屈曲。但过小的加劲肋间距，将使加劲肋数目过多，增加施焊工作量，也会增加工程的成本。

本课题对高度为2.5 m的钢板墙进行大量的参数化分析，观察不同板厚、不同跨高比情况下钢板墙的屈曲模态，认为钢板墙的加劲肋间距不宜大于1.2 m，且不宜小于0.7 m。

6 物理参数——加劲肋截面

6.1 中部槽钢加劲肋

有限元分析表明，在加劲肋间距一定的情况下，钢板墙的临界屈曲荷载(系数)会随加劲肋刚度的增大而增大，但增长的幅度会随着肋板刚度比的增大而逐渐降低。当肋板的刚度比不大于10时，钢板墙的屈曲荷载随肋板刚度比的增大而增长的幅度较为明显；当肋板刚度比大于20以后，增幅逐渐趋于平缓，此时继续加大加劲肋的截面对于提高钢板墙的承载力是很有限的，也很不经济。且当钢板墙的肋板刚度比不低于10时，钢板墙在承受0.3的轴压比下抗侧移性能可以得到充分发挥，在0.4轴压比下也具有一定的抗侧移性能[1]。因此，VV-SPSW的中部加劲肋肋板刚度比取值区间为10～15，不宜超过20。

6.2 侧边方钢管加劲肋

为保证对钢板墙侧边的有效约束，同时考虑到与槽钢加劲肋的匹配，建议从型钢表里选择与槽钢的高度比较接近的方钢管加劲肋，其厚度可选择介于槽钢加劲肋的腰厚与腿厚之间的方钢管，且不宜小于槽钢加劲肋的腰厚。可参考表1中的数据，根据槽钢加劲肋的尺寸选取相应的方钢管。

表1 槽钢与方钢管的合理匹配表 mm

7 结语

VV-SPSW跨高比的合理取值区间宜为1.0～2.0；钢板厚度的合理取值区间宜为10 mm～20 mm；其高厚比的合理区间宜为125～250；加劲肋的合理间距宜为0.7 m～1.2 m，设计时建议加劲肋的间距先按1 m的间距选取，而后根据钢板墙的跨度做出适当的调整；中部加劲肋的肋板刚度比取值区间为10～15，不宜超过20。

[1] 张福建.两边连接竖向加劲式钢板剪力墙性能研究[D].北京：北京科技大学硕士学位论文，2013.

[2] 马 钺，尚庆圆，李 达.加劲肋对VV-SPSW剪切屈曲性能影响分析[J].山西建筑，2015,41(25)：33-34.

[3] 薛 园，苏 珉，马 东，等.两边连接竖向加劲钢板剪力墙滞回性能研究[J].钢结构，2014(12)：1-7.

[4] 牟在根，张福建，尚庆圆，等.两边连接竖向加劲式钢板剪力墙试验研究[J].东北大学学报(自然科学版)，2014，35(11)：1631-1635.

[5] 周吉祥，牟在根，李黎明.竖向加劲式钢板剪力墙的抗剪性能[J].北京科技大学学报，2013，35(2)：256-264.

Reasonable parameter values of VV-SPSW based on mechanical performance★

Zhao Yamei1Zhang Fujian2Zhang Jubing3

(1.YangquanArchitectureDesignInstitute，Yangquan045000，China；2.StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstitute，Beijing100095，China；3.CivilandEnvironmentalEngineeringSchool，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

A large number of parametric analysis of the VV-SPSW height 2.5 m is carried out by using ANSYS10.0， study on the effect of span-height ratio， high-thickness ratio， stiffening rib spacing and cross section on the related mechanical performance of the VV-SPSW. Put forward the reasonable value range of some geometrical parameters and physical parameters of the VV-SPSW based on ultimate load,initial stiffness and shear critical buckling loads.

mechanical performance， VV-SPSW， geometrical parameters， physical parameters

2015-10-14 ★：山西省自然科学基金资助项目(项目编号：2013011027-2)

赵雅梅(1969- )，女，工程师；张福建(1986- )，男，助理工程师；张举兵(1974- )，男，副教授

1009-6825(2015)36-0028-02

TU398.2 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A