鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)填鋼板設(shè)計

王芳凝 王樹和

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)是20 世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。鋼板剪力墻單元由內(nèi)嵌鋼板和豎向邊緣構(gòu)件、水平邊緣構(gòu)件構(gòu)成。當(dāng)鋼板沿著結(jié)構(gòu)某跨自上而下連續(xù)布置的時候，即可以形成鋼板剪力墻體系。鋼板剪力墻整體的受力特性與底端固接的豎向懸臂組合梁相類似，都是豎向邊緣構(gòu)件，相當(dāng)于翼緣，內(nèi)嵌鋼板相當(dāng)于腹板，而水平邊緣構(gòu)件則近似等效為橫向加勁肋。

過去30年來，在以鋼板剪力墻作為主要水平抗側(cè)力體系的試驗研究和數(shù)值分析中，發(fā)現(xiàn)其具有良好的特性，包括較大的彈性初始剛度、大變形能力和良好的塑性性能、穩(wěn)定的滯回性能等。鋼板剪力墻已成為一種非常具有發(fā)展前景的高層抗側(cè)力體系，其結(jié)構(gòu)適用于高烈度地震區(qū)。

目前，鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算主流方法都是以能力設(shè)計為基礎(chǔ)，并基于假定:在水平荷載的作用下，所有樓層鋼板都完全屈服。

而這個假定與實際結(jié)構(gòu)受力情況并不能很好吻合，由于鋼板的制造規(guī)格與焊接工藝的限制，或是出于安全考慮，很多情況下，結(jié)構(gòu)實際選擇的鋼板會比計算所需的鋼板更厚，這就導(dǎo)致了鋼板很可能并不會完全屈服。

考慮到上述現(xiàn)象，加拿大規(guī)范CSA16 提出了非直接能力設(shè)計方法，來優(yōu)化梁柱的截面設(shè)計。

本文考慮了框架的側(cè)向承載力，提出了一個新的參數(shù):整體屈曲調(diào)整系數(shù)，該參數(shù)可在結(jié)構(gòu)初步設(shè)計基礎(chǔ)上，用非直接能力設(shè)計法，通過調(diào)整能力設(shè)計放大系數(shù)來調(diào)整各層鋼板屈服程度，使結(jié)構(gòu)整體屈服程度更加均勻，以適應(yīng)鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)主流計算方法。

1 內(nèi)填板設(shè)計方法推導(dǎo)過程

非直接能力設(shè)計法用來計算結(jié)構(gòu)中的框架柱軸力。CAN/CSA S16-01［1］指出，鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的框架柱中的軸力由重力荷載與地震作用乘以能力設(shè)計放大系數(shù)B 這兩部分組成，其中:

式中:Vre——基底剪力承載力;

Vu——設(shè)計基底剪力。

基底剪力承載力計算方法如下:

式中:fy——鋼材屈服強度;

tw——鋼板厚度;

L——框架柱中心線之間的距離;

α——板內(nèi)拉力帶與框架柱之間的夾角。

其中，α 由下式確定:

鑒于非直接能力設(shè)計法中，能力設(shè)計放大系數(shù)越大，表明該層的抗側(cè)能力越強，越不易發(fā)生屈服。由于一個結(jié)構(gòu)中，各層的抗側(cè)能力不同且各層鋼板不同時完全屈服，因此，須在以上初步設(shè)計的基礎(chǔ)上，調(diào)整參數(shù)，使每層的抗側(cè)能力趨于相同，從而更好的保障結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的準(zhǔn)確性，同時能夠兼顧經(jīng)濟性。

由此，本文提出了一個新的參數(shù):整體屈曲調(diào)整系數(shù)，其含義如下:

其中，Bi為各層的能力設(shè)計放大系數(shù)。

對于Bdesign，i的取值，在抗震要求比較低時，可取各層能力設(shè)計放大系數(shù)的最小值。在抗震要求較高時，可適度加大其取值，如下式:

欲使δ=1，則B=Bdesign，i，可知，各層內(nèi)填鋼板設(shè)計側(cè)向力不變，因此調(diào)整內(nèi)填鋼板抗剪承載力即可，又由式(1)、式(2)可知，調(diào)整內(nèi)填鋼板板厚即可調(diào)整內(nèi)填鋼板抗剪承載力，調(diào)整后內(nèi)填鋼板板厚由下式確定:

修正后的內(nèi)填鋼板板厚能夠使結(jié)構(gòu)各層受力更加均勻，更好的保證各層內(nèi)填鋼板同時完全屈服，從而使結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果更符合實際，同時兼顧經(jīng)濟性。

2 內(nèi)填板不同設(shè)計方法對比分析

本文為一棟8 度設(shè)防區(qū)Ⅱ類場地的4 層鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計了兩套結(jié)構(gòu)方案，方案A 按上一節(jié)提出方法折減板厚，方案B各層板厚相同。具體設(shè)計內(nèi)容如圖1，圖2，表1～表5 所示。

表1 荷載值

圖1 平面布置圖

圖2 鋼板剪力墻立面圖

表2 地震荷載標(biāo)準(zhǔn)值 kN

表3 方案A，B 柱截面初步設(shè)計

表4 方案A，B 梁截面初步設(shè)計

表5 初步設(shè)計最終結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計內(nèi)容，用ABAQUS 進行模擬，得出結(jié)果見圖3，圖4。

圖3 方案A 內(nèi)填板有限元結(jié)果

圖4 方案B 內(nèi)填板有限元結(jié)果

對比圖3，圖4 可以發(fā)現(xiàn)，方案A 的位移與應(yīng)變比方案B 更加均勻，可知方案A 具有一定的優(yōu)越性。

3 結(jié)語

本文基于前人在鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)方面的研究成果，以非直接能力設(shè)計方法為基礎(chǔ)，對鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)填板設(shè)計進行了一些改進。

以往的設(shè)計方法中假設(shè)各層鋼板完全屈服。然而此假定在實際結(jié)構(gòu)中往往出現(xiàn)偏差，使結(jié)構(gòu)計算的準(zhǔn)確性降低。為了使結(jié)構(gòu)計算更加符合實際，各層鋼板受力均衡，本文以非直接能力設(shè)計法為基礎(chǔ)，提出了一個新的參數(shù):整體屈曲調(diào)整系數(shù)，在此參數(shù)的基礎(chǔ)上，調(diào)整鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)填板厚度，從而使各層的能力設(shè)計放大系數(shù)趨于定值，修正后的各層內(nèi)填板厚度更容易達(dá)到各層內(nèi)填板受側(cè)向力同時完全屈服，因此更加地符合設(shè)計的要求。

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

［2］高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(征求意見稿2010)［S］.

［3］JGJ 99—98，高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］陳國棟.鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)性能研究［D］.北京:清華大學(xué)，2002.

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［7］王迎春，郝際平，李 峰，等.鋼板剪力墻力學(xué)性能研究［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，39(2):181-186.

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［9］AISC Committee.ANSI/AISC 341-10.Seismic provisions for structural steel buildings［S］.America:American Institute of Steel Construction，2010.