多箱截面钢板剪力墙静力性能分析

赵滇生,段坤朋

(浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州 310014 )



多箱截面钢板剪力墙静力性能分析

赵滇生,段坤朋

(浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州 310014 )

研究了多箱截面钢板剪力墙的静力性能,利用有限元软件ANSYS分析单块矩形板模型,计算结果与经典解对比验证。然后再建立单层和多层多箱截面剪力墙,通过求解水平极限荷载,研究箱室数量和宽厚比对剪力墙静力性能的影响。

多箱；钢板剪力墙；静力性能

钢板剪力墙兴起于20世纪七八十年代,是由周边梁柱、内嵌钢板、连接件和加劲肋等组成[1]。在国家提倡大力发展钢结构建筑的背景之下,钢板剪力墙具有整体性好,能充分发挥钢板的各项潜能等优点,是多高层钢结构中应用前景广阔的抗侧力构件。

多箱截面钢板剪力墙作为一种新型钢板剪力墙,其基本结构见图1。本文着重研究在水平荷载作用下,各项几何参数对多箱截面钢板剪力墙静力性能的影响规律。

图1　多箱截面剪力墙示意图

1　多箱截面钢板剪力墙的简化处理和能量法初步分析

多箱截面钢板剪力墙的简化计算模型见图1,在水平荷载的作用下,该模型显然将在第n箱室处发生局部屈曲,因此对于多箱截面钢板剪力墙剪切屈曲分析可以简化为对箱室n外围钢板,即长度方向薄板剪切屈曲分析。

均匀受剪矩形板的临界荷载计算公式[2]为：

(1)

式中：a、h和t分别为矩形板长度、宽度和厚度；

Ks、D和μ分别为板剪切屈曲系数、单位宽度板的抗弯刚度和泊松比。对于四边简支的受剪钢板,Ks按式(2)计算。

(2)

2　计算模型的建立和验证

采用有限元软件ANSYS进行分析。钢板采用SHELL181单元,弹性模量E=206GPa,泊松比μ=0.3。网格密度保证分析能得到稳定的结果[3]。剪力施加在矩形板四周边上,四边中间节点剪力为1,四个角点的剪力为1/2,见图2。边界条件为约束四边节点的平面外位移,即自由度3。同时为防止矩形板发生刚体位移[4],约束矩形板中间一点的自由度1和自由度2。弹性计算的结果表明,在图示荷载的作用下,矩形板处于纯剪应力状态。

图2　纯剪矩形板加载示意图

取h=3 000mm,a=3 000mm,t=10mm的四边简支矩形板分析。有限元法分析得到的剪切屈曲系数Ks=9.29,而精确理论解为9.34,两者误差极小,表明有限元分析过程正确可行。

接着,建立单层建筑多箱截面钢板剪力墙整体有限元模型分析其静力性能。取层高h=3 000mm,剪力墙总宽度b=3 000mm,单箱宽度b1=600mm,墙厚度d=200mm,钢板厚度t=6mm。

由屈曲模态分析可知,多箱截面钢板剪力墙的屈曲是因局部屈曲而失效,而局部屈曲主要发生在最外边箱室底部,与前面的预计一致,再次说明用板的剪切屈曲简化计算多箱截面钢板剪力墙极限荷载的方法的正确性。另外可以发现,一阶屈曲模态图中局部范围内屈曲位移较大,其余位置屈曲位移均较小。因此,为提高剪力墙的水平极限承载力,可以在两侧最外箱内设置加劲肋。

3　几何参数对多层建筑多箱截面钢板剪力墙静力性能的影响

图3　3层建筑多箱截面钢板剪力墙荷载施加情况

水平极限荷载是衡量剪力墙静力性能的重要参数,在此着重分析多箱形截面剪力墙的水平极限荷载。考虑实际工程常用尺寸,建立3层建筑多室箱形闭口截面剪力墙模型,荷载施加情况见图3。并取5箱为标准模型,其水平极限荷载记为Fs,其余模型均是由标准模型改变几何参数得到。

3.1箱数n的影响

建立多层多室箱形闭口截面有限元模型,其几何参数及计算结果见表1及图4,其中Fni表示模型编号为n-i(i=3,4,5,6,7)的水平极限荷载。

表1　不同箱室数量的有限元分析结果

图4　箱室数量对剪力墙水平极限荷载的影响

由表1和图4可知,当其他设计参数不变,随着多箱截面钢板剪力墙箱室数量的增加,其水平极限承载力逐渐增加,两者之间接近线性关系。

当上述模型的钢板厚度t=10mm,仍然以5箱作为基础模型,其计算结果曲线见图4,两条曲线基本相同,再次验证箱数对剪力墙水平极限荷载的影响规律。

分析上述现象的原因,是在其他参数不变的情况下,随着箱室数量的增加,剪力墙总宽度b线性增加,抗弯能力的内力臂和抗剪能力的横截面呈线性增加,决定剪力墙的水平极限承载力基本呈线性增加。

3.2宽厚比γ的影响

定义宽厚比γ= b1/t,高厚比λ=h/t。建立多层多箱截面剪力墙有限元模型,其几何参数和计算结果见表2和图5,其中Fti表示模型编号为t-i(i=5,6,8,10,12,15,20)的水平极限荷载。

表2　不同宽厚比的有限元分析结果

图5　宽厚比剪力墙水平极限荷载的影响

由表2和图5可以看出,其他设计参数不变的情况下,随着宽厚比的降低,多箱截面剪力墙的水平极限荷载逐渐增加。模型t-12水平极限承载力为基础模型的7.96倍,表明宽厚比的改变对提高多箱截面钢板剪力墙的水平极限荷载具有显著的作用。

选取单箱宽度b1=750mm的模型,其厚度变化和上述模型相同,计算结果Fti/Fs与图5曲线完全相同,再次验证宽厚比对剪力墙性能的影响规律。

有限元分析结果表明,上述模型的破坏形式,均是由于局部屈曲导致结构整体失效。剪切屈曲应力表达式为

(3)

对多箱截面钢板剪力墙来说,一般情况下lmax远大于lmin,以本小节模型为例,(t/lmin)2=1.0×10-4,(t/lmax)2=4×10-6,两者相差25倍,因此t/lmin,即宽厚比为剪切应力的主要控制项,本文将不再分析高厚比对剪力墙静力性能的影响。式(3)也解释了宽厚比对剪力墙静力性能的影响规律,即随着宽厚比的降低,多箱截面剪力墙的水平极限荷载逐渐增加。

4　结　语

通过对多箱截面钢板剪力墙屈曲的水平极限承载力的分析,可以得到以下结论：

1)多箱截面钢板剪力墙水平极限荷载随着箱室数量n的增长而增长,且两者接近线性关系；

2)随着宽厚比的降低,多箱截面钢板剪力墙的水平极限荷载逐渐增加,且宽厚比的改变对提高多箱截面钢板剪力墙的水平极限荷载具有显著的作用。

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

[2]陈骥.钢结构稳定理论与设计[M].北京：科学出版社,2014．

[3]赵伟,杨强跃,童根树. 钢板剪力墙加劲肋刚度及弹性临界应力研究[J]. 工程力学,2010,27(6)：15-23.

[4]任涛. 工字梁腹板在局部承压和剪力作用下的弹性屈曲及极限承载力[D]. 杭州：浙江大学,2005．

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

ZHAO Diansheng, DUAN Kunpeng

2016-04-07

赵滇生 (1957—),男，浙江义乌人，副教授，研究方向为钢结构、空间结构。

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