钢板剪力墙结构内填钢板设计

王芳凝 王树和

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

0 引言

钢板剪力墙结构是20 世纪70年代发展起来的一种新型抗侧力结构体系。钢板剪力墙单元由内嵌钢板和竖向边缘构件、水平边缘构件构成。当钢板沿着结构某跨自上而下连续布置的时候，即可以形成钢板剪力墙体系。钢板剪力墙整体的受力特性与底端固接的竖向悬臂组合梁相类似，都是竖向边缘构件，相当于翼缘，内嵌钢板相当于腹板，而水平边缘构件则近似等效为横向加劲肋。

过去30年来，在以钢板剪力墙作为主要水平抗侧力体系的试验研究和数值分析中，发现其具有良好的特性，包括较大的弹性初始刚度、大变形能力和良好的塑性性能、稳定的滞回性能等。钢板剪力墙已成为一种非常具有发展前景的高层抗侧力体系，其结构适用于高烈度地震区。

目前，钢板剪力墙结构内力计算主流方法都是以能力设计为基础，并基于假定:在水平荷载的作用下，所有楼层钢板都完全屈服。

而这个假定与实际结构受力情况并不能很好吻合，由于钢板的制造规格与焊接工艺的限制，或是出于安全考虑，很多情况下，结构实际选择的钢板会比计算所需的钢板更厚，这就导致了钢板很可能并不会完全屈服。

考虑到上述现象，加拿大规范CSA16 提出了非直接能力设计方法，来优化梁柱的截面设计。

本文考虑了框架的侧向承载力，提出了一个新的参数:整体屈曲调整系数，该参数可在结构初步设计基础上，用非直接能力设计法，通过调整能力设计放大系数来调整各层钢板屈服程度，使结构整体屈服程度更加均匀，以适应钢板剪力墙结构主流计算方法。

1 内填板设计方法推导过程

非直接能力设计法用来计算结构中的框架柱轴力。CAN/CSA S16-01［1］指出，钢板剪力墙结构的框架柱中的轴力由重力荷载与地震作用乘以能力设计放大系数B 这两部分组成，其中:

式中:Vre——基底剪力承载力;

Vu——设计基底剪力。

基底剪力承载力计算方法如下:

式中:fy——钢材屈服强度;

tw——钢板厚度;

L——框架柱中心线之间的距离;

α——板内拉力带与框架柱之间的夹角。

其中，α 由下式确定:

鉴于非直接能力设计法中，能力设计放大系数越大，表明该层的抗侧能力越强，越不易发生屈服。由于一个结构中，各层的抗侧能力不同且各层钢板不同时完全屈服，因此，须在以上初步设计的基础上，调整参数，使每层的抗侧能力趋于相同，从而更好的保障结构设计计算的准确性，同时能够兼顾经济性。

由此，本文提出了一个新的参数:整体屈曲调整系数，其含义如下:

其中，Bi为各层的能力设计放大系数。

对于Bdesign，i的取值，在抗震要求比较低时，可取各层能力设计放大系数的最小值。在抗震要求较高时，可适度加大其取值，如下式:

欲使δ=1，则B=Bdesign，i，可知，各层内填钢板设计侧向力不变，因此调整内填钢板抗剪承载力即可，又由式(1)、式(2)可知，调整内填钢板板厚即可调整内填钢板抗剪承载力，调整后内填钢板板厚由下式确定:

修正后的内填钢板板厚能够使结构各层受力更加均匀，更好的保证各层内填钢板同时完全屈服，从而使结构设计结果更符合实际，同时兼顾经济性。

2 内填板不同设计方法对比分析

本文为一栋8 度设防区Ⅱ类场地的4 层钢板剪力墙结构设计了两套结构方案，方案A 按上一节提出方法折减板厚，方案B各层板厚相同。具体设计内容如图1，图2，表1～表5 所示。

表1 荷载值

图1 平面布置图

图2 钢板剪力墙立面图

表2 地震荷载标准值 kN

表3 方案A，B 柱截面初步设计

表4 方案A，B 梁截面初步设计

表5 初步设计最终结果

根据上述设计内容，用ABAQUS 进行模拟，得出结果见图3，图4。

图3 方案A 内填板有限元结果

图4 方案B 内填板有限元结果

对比图3，图4 可以发现，方案A 的位移与应变比方案B 更加均匀，可知方案A 具有一定的优越性。

3 结语

本文基于前人在钢板剪力墙结构方面的研究成果，以非直接能力设计方法为基础，对钢板剪力墙结构的内填板设计进行了一些改进。

以往的设计方法中假设各层钢板完全屈服。然而此假定在实际结构中往往出现偏差，使结构计算的准确性降低。为了使结构计算更加符合实际，各层钢板受力均衡，本文以非直接能力设计法为基础，提出了一个新的参数:整体屈曲调整系数，在此参数的基础上，调整钢板剪力墙结构的内填板厚度，从而使各层的能力设计放大系数趋于定值，修正后的各层内填板厚度更容易达到各层内填板受侧向力同时完全屈服，因此更加地符合设计的要求。

［1］CAN/CSA S16-01 Limit states design in structural steel［S］.Canada:Canadian Institute of Steel Construction，2001.

［2］高层民用建筑钢结构技术规程(征求意见稿2010)［S］.

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