基于板柱连接特性的防屈曲钢板墙结构数值分析★

杜文学 朱文波 强梦颖

(黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨 150022)

基于板柱连接特性的防屈曲钢板墙结构数值分析★

杜文学 朱文波 强梦颖

(黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨 150022)

在防屈曲钢板墙新型结构体系研究的基础上，采用数值分析方法分析了板与柱不同连接形式(开缝、半刚接、刚接)下结构位移荷载曲线、骨架曲线，分析对比了不同边柱的刚度系数对三种防屈曲钢板墙承载力的影响，结果表明:当边柱刚度系数为50.88时，刚接板比半刚接板的极限承载力提高约3%;当边柱刚度系数为22.17，35.11时，半刚接板的极限承载力却高于刚接板。

钢板剪力墙，防屈曲钢板墙，数值模拟

组合钢板剪力墙的抗剪强度高、整体性强、能很好的抑制钢板在平面外的屈曲，但是也存在不足之处，混凝土板刚度大，侧移量很小时，角部混凝土与框架、混凝土与销钉均会相互挤压，当混凝土被压碎脱落后就不能很好的抑制钢板平面外屈曲［1-4］。针对这种缺陷，我国学者郭彦林提出防曲屈钢板墙［5-8］，通过混凝土盖板和内嵌钢板接触面之间相互错动的机制，以释放因钢板变形对混凝土盖板产生的作用力，使混凝土盖板免遭破坏，为钢板提供持续稳定的面外支撑。但在混凝土板与钢板发生相互错动的同时，钢板内形成的拉力带又会对边柱造成附加弯矩的作用［9-13］，目前国内外尚未对板与柱连接特性进行研究。为减弱这种拉力的作用，笔者从板与柱连接特性出发，分别研究了板与柱开缝、半刚接、刚接这三种连接形式对防屈曲钢板墙结构承载力的影响。

1 有限元模型

1.1 截面尺寸

试件编号为XXX。W代表防屈曲钢板墙;KF代表开缝;BG代表半刚接;GJ代表刚接。如WKF为板与柱开缝防曲屈钢板剪力墙。各个构件的尺寸见表1。

表1 构件截面表

1.2 有限元模型

构件中钢材均采用带强化段的三折线本构模型，E=2.06× 105MPa，fy=235 MPa，Yε=0.001 14，强化初应变εst=0.02，强化切线模量Et=0．03E。混凝土强度等级为C30。梁、柱和混凝土板采用实体单元(C3D8)，钢板采用一般壳单元(S4R)，板与梁、梁与柱采用绑定约束，分析中用“面面接触”单元来模拟内嵌钢板与两侧混凝土盖板之间的相互作用，混凝土板采用约束自由度的方法，约束Z方向的自由度，来约束钢板的面外曲屈。半刚性连接通过定义角钢与钢板之间的摩擦系数来实现钢板与框架连接的半刚性。切向属性定义为“罚”摩擦系数为0.5。加载方式采用位移加载制度，以5 mm为级差每级循环一次加载至60 mm。

2 结果分析

2.1 荷载—位移曲线

试件的荷载—位移曲线如图1所示。由图1可知，在单向加载中，当柱子刚度系数β=22.17时，BGW的屈服荷载比KFW的屈服荷载提高约10%，极限承载力提高10%;BGW与GJW屈服荷载基本相同，进入塑性后，BGW比GJW承载力略高约3%。

图1 荷载—位移曲线

当柱子刚度系数β=35.11时，BGW的屈服荷载比KFW的屈服荷载提高约10%，极限承载力提高15%;BGW与GJW屈服荷载基本相同，进入塑性后，BGW比GJW承载力略高约2%。

当柱子刚度系数β=50.88时，BGW的屈服荷载比KFW的屈服荷载提高约10%，极限承载力提高10%左右;BGW与GJW屈服荷载基本相同，进入塑性后，GJW比BGW承载力略高约2%。

2.2 应力分布

1/50侧移角下结构的应力发展如图2所示。由图2a)，图2b)可知，在侧移量为60 mm时，由于角钢对钢板的侧向约束作用，钢板的压屈并没有板与柱开缝压屈的明显，在加载的后期板内仍存在对拉条带。由图2c)可知，由于边柱与钢板刚接，板内形成的拉力带对边柱有拉力的作用，边柱的应力明显偏大。

2.3 承载力对比

循环荷载作用下试件的骨架曲线见图3，承载力对比见表2。由表2可知，当刚度系数β=22.17时，半刚接、刚接的屈服荷载比开缝分别提高了10.9%，11.2%;极限荷载分别提高了12.0%，8.9%，半刚接板的极限承载比刚接板提高了约2.8%。当刚度系数β=35.11时，半刚性、刚接的屈服荷载比开缝分别提高11.3%，11.5%;半刚接板的极限承载比刚接板提高了约2%。当刚度系数β=50.88时，半刚接、刚接的屈服荷载比开缝连接分别提高9.1%，9.5%;极限承载力分别提高了10.2%，13.1%。刚接比半刚接的极限荷载提高约3%。

图2 Max.principal应力分布

图3 骨架曲线

表2 承载力对比

研究表明:在弹性阶段，半刚接、刚性连接的结构承载力比较接近，曲线几乎重合;在柱刚度系数为20.17，35.11时，由于柱子刚度较弱，板与柱刚接，板内形成的拉力带对边柱造成附加弯矩作用，导致柱子过早发生压屈破坏。板与柱开缝，板内形成的拉力杆数大量减少，因此开缝钢板墙的侧向承载力要小于板与柱刚接、半刚接防曲屈钢板墙;板与柱半刚接，梁柱形成的拉力杆会减弱对柱子的拉力作用，柱子的压屈破坏相应的减弱，随着位移增加，当边柱达到压屈破坏时，反而提高了结构的承载力。当柱子刚度系数为50.88时，柱子刚度足够大，可以提供板内所形成的拉力杆所形成的拉力，在侧移量为60 mm时柱子未发生压屈破坏，在侧移量一定的情况下，刚接板的极限承载力要大于半刚接板。

3 结语

通过对板与柱在不同连接形式下防曲屈钢板墙的数值分析，得到以下结论:

1)当边柱刚度系数为22.17时，半刚接、刚接比开缝防曲屈钢板墙的极限承载力分别提高了12%，8.9%;当边柱刚度系数为35.11时，半刚接、刚接比开缝防曲屈钢板墙的极限承载力分别提高了14.6%，12.3%;当边柱的刚度系数为50.88时，刚接比半刚接防曲屈钢板墙极限承载力提高了约3%。

2)板与柱开缝避免板内形成的拉力带对柱子造成的拉力作用，但板内形成的拉力带将随之减少，拉力杆与x轴的倾角随之增大，钢板墙的承载力大大降低。

3)板与柱采用半刚性连接可以减弱板内形成的拉力带对边柱造成的附加弯矩作用，避免了边柱过早的发生压屈破坏。

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Numerical analysis of buckling-restrained steel plate wall structure based on the connection between plate and column★

Du W enxue Zhu W enbo Qiang M engying

(School of Civil Engineering，Heilongjiang University of Science Technology，Harbin 150022，China)

On the basis of research the new structure system of buckling-restrained steel plate wall，structure displacement load curve and skeleton curve are analyzed with numericalmethod when the types of slab-column connections are different(open joint，semi-rigid joint，rigid joint). The influence that stiffness coefficient of different side columns on three kinds of buckling-restrained steel plate walls are compared.Results show thatwhen side column stiffness coefficient is50.88，the ultimate structural bearing capacity of rigid joint of is only 3%higher than that of semirigid joint;while side column stiffness coefficient is 22.17 and 35.11，the ultimate structural bearing capacity of semi-rigid joint is higher.

steel plate shear wall，buckling-restrained steel plate wall，numerical simulation

TU311.41

A

1009-6825(2015)29-0028-03

2015-08-10 ★:国家自然基金项目(项目编号:51478168)

杜文学(1977-)，男，副教授; 朱文波(1990-)，男，在读硕士; 强梦颖(1991-)，女，在读硕士