蜂窩中梁方鋼管混凝土框架—鋼板剪力墻結構的相互作用研究

吳 振 齊

(麗水正陽電力建設有限公司，浙江 麗水　323000)

1　概述

鋼板剪力墻(以下簡稱鋼板墻)是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型抗側力構件，可與框架結構構成雙重抗側力體系[1]。以往通過在鋼板墻中開洞實現(xiàn)鋼板墻結構的水管、電線布設等建筑功能。但在鋼板墻上開洞，是以減弱鋼板墻的力學性能為代價[2]，加之開洞后需要設置洞口加勁肋等，也使得構造復雜。蜂窩梁是一種新型鋼結構構件，與實腹梁相比，節(jié)約了鋼材，降低了工程造價，也便于布置管道。蜂窩梁還可以在保證凈高的條件下，減小建筑總高度。將方鋼管混凝土柱、鋼板墻與蜂窩梁三者結合，形成蜂窩中梁方鋼管混凝土框架—鋼板墻結構，可充分發(fā)揮結構的優(yōu)異性能。以往在計算鋼板墻結構的抗側承載力時，取鋼板墻與純框架二者承載力的簡單疊加[3-5]，未考慮二者的相互作用。研究鋼板墻對邊緣框架的作用，對鋼板墻結構設計具有重要意義。

2　有限元分析

建立足尺單跨三層有限元模型，如圖1所示。其中，鋼板墻高度h=3 600 mm，寬高比β=l/h=1.5，鋼板墻厚度取tw=0 mm(純框架),3 mm,4 mm,5 mm,6 mm；方鋼管柱截面為□700×30，內灌C40混凝土；頂梁截面為H750×350×30×35，蜂窩中梁截面H650×400×30×30，蜂窩孔型選用圓孔[6]，直徑為300 mm，孔間距700 mm。邊緣構件選用Q345鋼材，屈服強度為Fyw=345 N/mm2；鋼板墻選用Q235鋼材，屈服強度為Fyw=235 N/mm2；鋼材的彈性模量為E=2.06×105MPa。材料的應力應變關系均采用理想彈塑性，材料屈服服從von-Mises屈服準則，泊松比為0.3。約束一層鋼板墻底部和框架柱底節(jié)點各個方向的位移，模擬結構的嵌固邊界條件；約束各層梁上翼緣的平面外位移，模擬樓板的支撐作用。基于第一特征屈曲模態(tài)，引入1/1 000板寬的初始平面外變形，模擬鋼板墻的初始屈曲缺陷。豎向荷載加于柱頂，取0.2倍的軸壓比。頂梁上部施加水平反復荷載，采用位移加載方式實現(xiàn)。

3　相互作用研究

對該新型鋼板墻結構和對應的純框架進行推覆分析和滯回分析，對比有限元計算結果，研究鋼板墻對邊緣框架性能的影響。在分析中將側移角達到1/50作為結構的極限破壞狀態(tài)，將鋼板墻結構承載力減去鋼板墻承載力得到邊緣框架的承載力，如式(1)所示：

Psf=Ps-Pw

(1)

式中：Psf——邊緣框架承載力；

Ps——鋼板墻結構承載力；

Pw——鋼板墻承載力。

鋼板墻結構(tw=3 mm)和對應純框架的抗側承載力—位移曲線如圖2所示。由圖2可知，純框架的初始抗側剛度24.12 kN/mm，邊緣框架的初始抗側剛度為56.48 kN/mm，是純框架的2.34倍；純框架極限承載力為3 748 kN，邊緣框架極限承載力為4 038 kN，承載力提高約8%；純框架的屈服位移為141.2 mm，邊緣框架的屈服位移為92.5 mm，屈服位移減小約34%。這表明，由于鋼板墻和邊緣框架的相互作用，邊緣框架的初始剛度和承載力較對應純框架提高，而屈服位移較對應純框架明顯減小。由圖3可知，隨著鋼板墻厚度增加，這種趨勢越來越明顯(見表1)。由圖4可知，鋼板墻結構的初始剛度和承載力較純框架明顯提高，這表明鋼板墻給邊緣框架提供了有效支撐，隨著鋼板墻厚度增加，這種趨勢也越顯著(見表1)。

表1　抗側性能比較

結構極限狀態(tài)時的層間位移角分布如圖5所示。由圖5可知，邊緣框架頂層的層間位移角較純框架小，且一層的層間位移角較純框架大；隨著鋼板墻厚度增加，一層層間位移角增大，頂層層間位移角減小。邊緣框架在極限狀態(tài)時的層間位移分布類似純框架，呈剪切型，但底層承擔水平荷載百分比更大；隨著鋼板墻厚度增大，這種趨勢更明顯。這說明鋼板墻厚度應隨著層高增加而減小，以使剛度分配更合理，避免地震作用下底層受力過大。

鋼板墻結構(tw=3 mm)和純框架在推覆荷載極限破壞形態(tài)如圖6所示。由圖6可知，與純框架相比，邊緣框架受壓柱的柱腳破壞較輕(與水平荷載作用方向一致的豎向邊緣構件稱之為受壓柱，反之，稱之為受拉柱)。

4　結語

提出了一種采用蜂窩中梁的方鋼管混凝土框架—鋼板墻結構，利用有限元軟件ABAQUS 6.10對其進行非線性數(shù)值分析，研究了鋼板墻和邊緣框架相互作用。研究表明：鋼板墻的邊緣框架和鋼板墻之間存在著相互作用。邊緣框架的初始剛度和極限承載力均較純框架提高，簡單的疊加原理不再適用于該雙重抗側體系。

參考文獻: