全加劲肋钢板的性能研究

王 书 文

(中铁二院华东勘察设计有限责任公司，浙江 杭州 310004)

1 概述

在高层及多层钢框架建筑结构中，钢板剪力墙是一种有效的抗侧力构件[1-5]。钢板剪力墙与钢框架结构相结合，不仅在地震作用的初期阶段具有较高的抗剪能力，更重要的是在地震作用的后期阶段具有较高的延性表现了这种抗侧力构件良好的抗震性能。在现有DG/T 08—32—2015高层建筑钢结构设计规程中(以下简称《高规》)[6]，钢板剪力墙可以作为抗侧力构件使用。目前存在厚板和薄板两种钢板剪力墙形式，对于厚板剪力墙而言，尽管大大地提高了钢板剪力墙的抗震性能，但其用钢量较大，经济效益大大降低，从某种程度阻碍了钢板剪力墙的推广和应用。而薄钢板剪力墙结构，由于其自身轻薄，必然会导致局部屈曲荷载较低，从而降低了钢板剪力墙的初始刚度和屈曲后延性性能。为了克服这一缺点，工程上常常采用带加劲肋的钢板剪力墙结构，不仅可以克服上述问题，而且可以提高其局部屈曲荷载，且具有较高的屈曲后强度和承载潜力，同时也有较好的延性性能。国内外学者对加筋肋钢板进行了研究，但在全加劲肋的承载力研究方面还有明显不足。

汤序霖等[7]对加劲肋的设置方式进行了对比试验研究，作者对比了仅设置纵向加劲肋、横向加劲肋和双向加劲肋三种情况，结果表明：仅设置单向加劲肋对钢板的承载力提高不明显，而设置双向加劲肋可明显提高钢板的承载力。王浩[8]对剪力墙的设计进行了进一步研究。王先铁等[9]对洞口加劲肋进行了研究，他研究了加劲肋刚度、强度对开洞钢板剪力墙性能的影响，结果表明：增大加劲肋刚度，可提高开洞钢板剪力墙的弹性屈曲应力，高宽比对开洞钢板剪力墙屈曲应力的提高较为显著，而宽厚比对开洞钢板剪力墙屈曲应力影响较小。姜宝龙[10]对带T形加劲肋双钢板组合剪力墙进行了研究，通过对剪力墙的轴压比和剪跨比进行试验和有限元分析，结果表明：轴压比对剪力墙的承载力影响不大，剪跨比的增大会使剪力墙加载刚度和水平峰值荷载大幅减小。郝婷玥等[11]研究了竖向钢板加劲肋对内置钢板—混凝土组合剪力墙轴压性能通过设置2组对比实验，结果表明：竖向加筋肋对剪力墙的轴压承载力提升较大。童根树等[12]对钢板剪力墙单侧加劲肋的有效刚度展开研究，通过采用隔离体方法，并使得墙板与加筋肋在连接处满足变形连续，最终得出单侧加筋肋的有效宽度公式。综上，虽学者们对T型加筋肋，十字加筋肋的屈曲性能及临界应力状态有一定研究，但对全加筋肋极限承载力研究不足。

基于此，本文采用ABAQUS有限元软件建立了三组不同高宽比的全加劲肋钢板模型，采用ABAQUS有限元软件，对全加劲肋钢板结构极限承载力和滞回性能进行了系统分析，通过改变全加劲肋钢板结构的高宽比，得到全加劲肋钢板剪力墙结构的局部屈曲性能和整体稳定性能变化趋势，最终提出高跨比与结构承载力性能的概念关系，为钢板剪力墙的设计和应用提供概念依据。

2 有限元分析

2.1 模型简介

全加劲肋钢板如图1a)，图1b)所示，h为板宽，l为板高度。边界条件根据工程实践，将其简化为如图2所示的模型，即将边界条件简化为全加劲肋钢板底部嵌固，上部水平定向滑动，左右为自由边界(见图1c))。受力条件为：在全加劲肋钢板上端钢板平面内仅受单向水平静力作用，全加劲钢板受力如图1d)所示。全加劲钢板由两侧加劲肋和十字加劲肋组合而成。沿钢板左右自由边、钢板中线分别焊接双面布置的加劲肋。

2.2 分析工况

为研究全加劲肋钢板的极限承载力及位移性能，本文共分三组模型展开分析。模型特征为H型柱边框内填十字加劲肋钢板，试件设计参数如表1所示(单位为mm)。板与板上加劲肋厚均为12 mm，且考虑柱翼缘和腹板局部屈曲的影响。内填钢板通过连接板与框架四边均焊接连接，钢材为Q235B，角焊缝按现行规范要求进行设计。具体尺寸如表1所示。

表1 计算模型分析工况(一)

2.3 边界条件

如前文2.1所述，对模型采用如下假定：梁柱节点为理想刚接。考虑到实际结构中楼板对框架面外位移的约束作用，约束梁上翼缘的面外自由度，以防止结构面外失稳。三个模型均为底部嵌固，上部滑动，左右自由边界。

2.4 受力条件

为分析各模型在宽度或高宽比不同的条件下承载力的区别，采用1 350×2 700×12 mm，1 500×2 700×12 mm，1 800×2 700×12三种模型,分析其分别在相同边界的条件下的三种模型的临界荷载，在三个模型全加劲肋钢板上端及钢板平面仅受单向水平静力作用。依据JGJ 101—1996建筑抗震试验方法规程的规定，拟静力试验的加载程序采用荷载与位移双控制的方法。在试件屈服(以荷载—位移曲线出现明显转折作为屈服标志)前，采用荷载控制加载;接近屈服前宜减小荷载级差；试件屈服后则由位移控制加载，以试件屈服时最大位移值的整倍数为加载级差对试验加载进行控制。具体加载方案见表2。

表2 计算模型分析工况(二)

2.5 建立模型

采用有限元软件ABAQUS进行建模，对模型进行单因素加载分析，以找出临界位移与荷载间的关系。钢材均采用Q235钢材，本构关系采用理想弹塑性模型，实现建模的过程如下：首先，通过几何建模方法，用Shell181单元创建模型的各种构件，通过布尔运算形成几何模型。然后赋予几何模型材料属性、单元类型以及截面属性，划分网格形成有限元模型；施加相应的边界约束：在施加水平及竖向荷载处进行节点耦合；对梁中线位移所有节点进行面外约束来模拟防止梁面外失稳；为模拟结构底部固结，对柱和墙板底部所有节点进行固结约束,最后对模型进行屈曲分析。选取失稳荷载和失稳位移作为关键性性能指标作为对比。改变长宽比，重新建造模型，再次进行屈曲分析，得出不同长宽比a荷载与位移的变化关系。模型及结果如图2～图4所示。

3 结果分析

由图5可得：随着加劲肋钢板的高宽比(1～2.0变化)增加，承载力会逐渐变大，从1 100 kN增大到1 800 kN，大约增大1.64倍，同时得出加劲肋钢板与普通钢板在强度上明显提高,该形式钢板将有更广的运用空间。加载位移在0 mm～50 mm区间，荷载位移曲线大致呈线弹性变化，位移增大，荷载随之大约以正比形式递增，而当位移变化至50 mm～300 mm区段时，荷载值增大不超过3%，非常接近临界荷载，原因可能是钢板位移过大引起失稳造成的。

通过本文研究的三组加劲肋钢板，分析得到了其相应工况的临界荷载和临界位移，如表3所示。由表3可得：高宽比与失稳位移和荷载都呈单调关系。高宽比增大，结构愈趋于不稳定，结果可为实际工程提供一定参考。

表3 计算模型分析工况(三)

4 结语

1)全加劲肋钢板具有良好的承载力、抗侧刚度、延性，是一种抗震性能优越的组合剪力墙。该类型剪力墙可为今后的研究、设计工作提供较好参考。

2)高宽比越大，临界力越小，失稳时发生的位移越小。高宽比越小，临界力越大，失稳时发生的位移也越大。

3)由图1知，当钢板所受的外力荷载大小到一定值后，沿力的方向上的位移发生大范围变化时，外力荷载大小数值基本不变，由此可以说明此时钢板失稳。

4)由表1可知，钢板横截面积一定且钢板一端受横向剪力荷载作用下时，钢板越长失稳位移越小。由此说明钢板在剪力荷载作用下其长度越长越容易发生失稳。