蜂窝中梁方钢管混凝土框架—钢板剪力墙结构的相互作用研究

吴 振 齐

(丽水正阳电力建设有限公司，浙江 丽水　323000)

1　概述

钢板剪力墙(以下简称钢板墙)是20世纪70年代发展起来的一种新型抗侧力构件，可与框架结构构成双重抗侧力体系[1]。以往通过在钢板墙中开洞实现钢板墙结构的水管、电线布设等建筑功能。但在钢板墙上开洞，是以减弱钢板墙的力学性能为代价[2]，加之开洞后需要设置洞口加劲肋等，也使得构造复杂。蜂窝梁是一种新型钢结构构件，与实腹梁相比，节约了钢材，降低了工程造价，也便于布置管道。蜂窝梁还可以在保证净高的条件下，减小建筑总高度。将方钢管混凝土柱、钢板墙与蜂窝梁三者结合，形成蜂窝中梁方钢管混凝土框架—钢板墙结构，可充分发挥结构的优异性能。以往在计算钢板墙结构的抗侧承载力时，取钢板墙与纯框架二者承载力的简单叠加[3-5]，未考虑二者的相互作用。研究钢板墙对边缘框架的作用，对钢板墙结构设计具有重要意义。

2　有限元分析

建立足尺单跨三层有限元模型，如图1所示。其中，钢板墙高度h=3 600 mm，宽高比β=l/h=1.5，钢板墙厚度取tw=0 mm(纯框架),3 mm,4 mm,5 mm,6 mm；方钢管柱截面为□700×30，内灌C40混凝土；顶梁截面为H750×350×30×35，蜂窝中梁截面H650×400×30×30，蜂窝孔型选用圆孔[6]，直径为300 mm，孔间距700 mm。边缘构件选用Q345钢材，屈服强度为Fyw=345 N/mm2；钢板墙选用Q235钢材，屈服强度为Fyw=235 N/mm2；钢材的弹性模量为E=2.06×105MPa。材料的应力应变关系均采用理想弹塑性，材料屈服服从von-Mises屈服准则，泊松比为0.3。约束一层钢板墙底部和框架柱底节点各个方向的位移，模拟结构的嵌固边界条件；约束各层梁上翼缘的平面外位移，模拟楼板的支撑作用。基于第一特征屈曲模态，引入1/1 000板宽的初始平面外变形，模拟钢板墙的初始屈曲缺陷。竖向荷载加于柱顶，取0.2倍的轴压比。顶梁上部施加水平反复荷载，采用位移加载方式实现。

3　相互作用研究

对该新型钢板墙结构和对应的纯框架进行推覆分析和滞回分析，对比有限元计算结果，研究钢板墙对边缘框架性能的影响。在分析中将侧移角达到1/50作为结构的极限破坏状态，将钢板墙结构承载力减去钢板墙承载力得到边缘框架的承载力，如式(1)所示：

Psf=Ps-Pw

(1)

式中：Psf——边缘框架承载力；

Ps——钢板墙结构承载力；

Pw——钢板墙承载力。

钢板墙结构(tw=3 mm)和对应纯框架的抗侧承载力—位移曲线如图2所示。由图2可知，纯框架的初始抗侧刚度24.12 kN/mm，边缘框架的初始抗侧刚度为56.48 kN/mm，是纯框架的2.34倍；纯框架极限承载力为3 748 kN，边缘框架极限承载力为4 038 kN，承载力提高约8%；纯框架的屈服位移为141.2 mm，边缘框架的屈服位移为92.5 mm，屈服位移减小约34%。这表明，由于钢板墙和边缘框架的相互作用，边缘框架的初始刚度和承载力较对应纯框架提高，而屈服位移较对应纯框架明显减小。由图3可知，随着钢板墙厚度增加，这种趋势越来越明显(见表1)。由图4可知，钢板墙结构的初始刚度和承载力较纯框架明显提高，这表明钢板墙给边缘框架提供了有效支撑，随着钢板墙厚度增加，这种趋势也越显著(见表1)。

表1　抗侧性能比较

结构极限状态时的层间位移角分布如图5所示。由图5可知，边缘框架顶层的层间位移角较纯框架小，且一层的层间位移角较纯框架大；随着钢板墙厚度增加，一层层间位移角增大，顶层层间位移角减小。边缘框架在极限状态时的层间位移分布类似纯框架，呈剪切型，但底层承担水平荷载百分比更大；随着钢板墙厚度增大，这种趋势更明显。这说明钢板墙厚度应随着层高增加而减小，以使刚度分配更合理，避免地震作用下底层受力过大。

钢板墙结构(tw=3 mm)和纯框架在推覆荷载极限破坏形态如图6所示。由图6可知，与纯框架相比，边缘框架受压柱的柱脚破坏较轻(与水平荷载作用方向一致的竖向边缘构件称之为受压柱，反之，称之为受拉柱)。

4　结语

提出了一种采用蜂窝中梁的方钢管混凝土框架—钢板墙结构，利用有限元软件ABAQUS 6.10对其进行非线性数值分析，研究了钢板墙和边缘框架相互作用。研究表明：钢板墙的边缘框架和钢板墙之间存在着相互作用。边缘框架的初始刚度和极限承载力均较纯框架提高，简单的叠加原理不再适用于该双重抗侧体系。

参考文献: