新型防屈曲鋼板墻設(shè)計與仿真研究

劉甄真 徐天南 黃芳武

(招商局重工(江蘇)有限公司 海門 226116)

0 引 言

防屈曲鋼板墻作為一種耗能減振產(chǎn)品，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)中.目前主要的防屈曲鋼板墻有：加勁肋型、開豎縫型和對拉混凝土蓋板型.但是這幾種鋼板墻都存在一定的缺陷，加勁肋型防屈曲鋼板墻中加勁肋與芯板的焊縫疲勞會影響鋼板墻的耗能性；開豎縫型防屈曲鋼板墻加工工藝較繁瑣，制作成本也較高；對拉混凝土蓋板型防屈曲鋼板墻需要在芯板開大尺寸槽型孔，制作繁瑣，且易影響芯板的耗能性.

文中在這幾種傳統(tǒng)的防屈曲鋼板墻基礎(chǔ)上，提出了一種避免在芯板上焊加筋肋和開槽型孔的新型防屈曲鋼板墻，且制作簡易，成本較低.同時，為了驗(yàn)證該新型防屈曲鋼板墻的可行性，設(shè)計了承載力為700 kN的新型防屈曲鋼板墻，并對該蓋板墻進(jìn)行了有限元仿真.仿真中對鋼材采用了Chaboche本構(gòu)模型，以保證較準(zhǔn)確地模擬鋼材在塑性階段的非線性.

1 新型防屈曲鋼板墻設(shè)計

1.1 新型防屈曲鋼板墻原理

新型防屈曲鋼板墻主要由5部分組成(見圖1)，分別為內(nèi)芯板、約束蓋板(內(nèi)置混凝蓋板的薄壁密封殼)、肘板及上下端板.

圖1 新型防屈曲鋼板墻

該防屈曲鋼板墻的內(nèi)芯下側(cè)與下端板焊接，上側(cè)則穿過上端板的開孔，見圖2.

圖2 內(nèi)芯與上下端板連接

約束蓋板為內(nèi)置混凝土蓋板的薄壁密封殼，組成原理見圖3，約束蓋板通過肘板與上下肘板焊接.這避免了在芯板上焊加勁肋或開槽型孔，而是通過約束蓋板提供側(cè)向抗彎剛度.

圖3 約束蓋板組裝原理

1.2 芯板抗剪屈服承載力和剛度

鋼板墻結(jié)構(gòu)只承受水平載荷作用，在水平荷載作用下,當(dāng)鋼板墻板所受剪力達(dá)到屈曲剪力后,板開始屈曲 ,鋼板墻屈曲后并不意味著破壞, 鋼板墻還能利用鋼板的屈曲后強(qiáng)度繼續(xù)承擔(dān)大量的側(cè)向荷載[1].該防屈曲鋼板墻內(nèi)芯采用I形板，I形板的設(shè)計公式已有較多的研究[2].

內(nèi)芯的抗剪屈服承載力為

(1)

式中：MP和QP分別為I形鋼板墻純彎曲屈服時的屈服彎矩和純剪切屈服時的屈服剪力；Hy為屈服線距離鋼板中心的距離.內(nèi)芯的抗側(cè)移初始剛度為

(2)

式中：E為彈性模量；t為內(nèi)芯的板厚；H和B分別為內(nèi)芯的高寬.

1.3 蓋板剛度要求

蓋板的剛度需滿足如下要求[3]

(3)

式中：Qu為鋼板墻的極限承載能力，一般取Qy的1.5倍；B為鋼板墻的寬度；kcr為剪切屈曲系數(shù).

(4)

其中：H為鋼板墻的高度.

1.4 蓋板剛度計算公式

約束蓋板的抗彎剛度則通過復(fù)合材料的抗彎剛度公式推導(dǎo)出.

蓋板結(jié)構(gòu)屬于對稱結(jié)構(gòu)，可視其為對稱層合板，且由于對稱層合板的彎曲與拉伸之間不存在耦合，所以可得對稱層合板的合力矩為[4]

(5)

式中：

(6)

其中：tk為板厚；zk為板的位置信息.

由于薄板密封殼僅有上下端與端板焊接，左右兩邊自由，因此僅需要考慮一個方向的抗彎剛度，即

D蓋板=D11

(7)

根據(jù)蓋板的剖面可以求出D11的計算公式，見圖4.

圖4 蓋板剖面

由式(6)可知：

2 新型防屈曲鋼板墻仿真

2.1 Chaboche本構(gòu)模型

為了驗(yàn)證該新型防屈曲鋼板墻的可用性，需利用仿真手段進(jìn)行初步檢驗(yàn).該新型防屈曲鋼板墻的內(nèi)芯采用Q235鋼作為材料，目前工程上主要采用雙折線本構(gòu)模型對軟鋼進(jìn)行仿真，雙折線本構(gòu)模型雖簡單易用，但是忽略了軟鋼的同向強(qiáng)化和塑性階段的非線性特征,因此,采用Chaboche模型作為軟鋼本構(gòu)模型.

Chaboche模型是一種包含隨動強(qiáng)化和同向強(qiáng)化的混合本構(gòu)模型，可以較好的描述鋼材的力學(xué)性能.Chaboche本構(gòu)的數(shù)學(xué)模型(單軸)為[5]

(9)

解式(9)可得

式中:a)為Chaboche模型表達(dá)式，其中|σ-X|為塑性變形過程中的應(yīng)力面；R為屈服應(yīng)力面；k為同向強(qiáng)化的幅值，k可以通過下式求得：

k=Q∞(1-e-bisoεp)

(11)

其中：εp為從屈服應(yīng)力面開始累積的應(yīng)變；k中的其他參數(shù)可以通過測試εp點(diǎn)擬合求出.式b)為背應(yīng)力X表達(dá)式，即隨動強(qiáng)化的幅度，εp-εp0為待求應(yīng)力面到參考應(yīng)力面之間的應(yīng)變；X0為參考應(yīng)力面的背應(yīng)力；ν為應(yīng)力-應(yīng)變曲線的方向(應(yīng)力為正時為1，應(yīng)力為負(fù)時為-1)；其他參數(shù)可以通過測試εp-εp0點(diǎn)擬合求出，一般需要擬合三到四組數(shù)據(jù)才能保證曲線的非線性[6].目前已有學(xué)者對各類軟鋼的chaboche模型參數(shù)進(jìn)行了測試[7-8]，測試結(jié)果見表1.根據(jù)式(10)和表1可知，Q235的極限應(yīng)力約為430 MPa.

表1 Chaboche模型參數(shù)

為了驗(yàn)證Chaboche本構(gòu)模型的優(yōu)勢，在Abaqus中建立試件模型，見圖5，分別對該試件附雙折線本構(gòu)關(guān)系和Chaboche本構(gòu)關(guān)系，并對該試件進(jìn)行單軸拉伸仿真[9].圖6為分別基于兩種本構(gòu)關(guān)系仿真得出的力-位移曲線，可以看出Chaboche本構(gòu)模型在塑性階段能夠更準(zhǔn)確的反映材料非線性.

圖5 試件模型

圖6 試件拉伸力-位移曲線對比

2.2 700 kN防屈曲鋼板墻設(shè)計

按照某實(shí)際項(xiàng)目要求，設(shè)計抗剪屈服承載力為700 kN、高度為1 m、寬度小于0.8 m的防屈曲鋼板.根據(jù)1.2～1.4的設(shè)計公式，計算得到防屈曲鋼板墻中內(nèi)芯板和蓋板的尺寸(見表2)、外形尺寸見圖7.

表2 內(nèi)芯板和蓋板的尺寸 mm

圖7 芯板和蓋板的尺寸圖

根據(jù)內(nèi)芯板和蓋板尺寸，畫出鋼板墻的外形圖紙，見圖8.

圖8 700 kN防屈曲鋼板墻外形圖

2.3 700 kN防屈曲鋼板墻仿真

基于有限元軟件Abaqus對700 kN防屈曲鋼板墻進(jìn)行仿真驗(yàn)證[10].根據(jù)防屈曲鋼板墻外形尺寸建模，其中芯板、端板、薄板密封殼、肘板均使用shell單元，混凝土蓋板使用solid單元，利用Abaqus中interaction功能實(shí)現(xiàn)蓋板和密封殼的耦合.防屈曲鋼板墻Abaqus有限元模型見圖9.

圖9 防屈曲鋼板墻Abaqus模型

混凝土選用C40，鋼材選用Q235，約束條件為下端板剛性固定[11].根據(jù)文獻(xiàn)[9]中多高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性層間側(cè)移角規(guī)定對鋼板墻施加水平循環(huán)位移載荷，其允許的最大彈塑性層間側(cè)移角為1/50，因此,為保守起見，最大位移載荷設(shè)置為層間的1/35，加載制度見圖10.

圖10 加載制度

計算結(jié)果如下所示，圖11為芯板層間側(cè)移角為1/35時的應(yīng)力云圖，由圖11可知，在蓋板提供的側(cè)向剛度約束下，芯板沒有發(fā)生嚴(yán)重的面外變形，且芯板多處已接近極限應(yīng)力，說明該防屈曲鋼板在水平循環(huán)載荷下，沒有發(fā)生面外屈曲.

圖11 芯板應(yīng)力圖

圖12為蓋板10倍比例下的側(cè)向變形，由于蓋板對芯板的面外變形提供了剛度約束，產(chǎn)生了一定的變形，且應(yīng)力在允許范圍內(nèi).

圖12 蓋板應(yīng)力圖

圖13為芯板在水平循環(huán)載荷下滯回曲線，可以看出，芯板屈服承載力為688 kN，基本滿足700 kN的設(shè)計要求，滯回曲線光滑飽滿，證明芯板沒有產(chǎn)生屈曲變形，蓋板提供了有效的側(cè)向剛度約束，并且滯回曲線包圍的面積大，說明鋼板墻具有較好的耗能效果.

圖13 防屈曲鋼板墻滯回曲線

3 結(jié) 論

1) 在傳統(tǒng)防屈曲鋼板的基礎(chǔ)上，提出了一種新型防屈曲鋼板，制作方便，避免了傳統(tǒng)鋼板墻需要在芯板上進(jìn)行穿孔或焊接的工藝，并能保證性能的優(yōu)點(diǎn).

2) 根據(jù)對稱層合板理論，給出了新型防屈曲鋼板蓋板剛度的計算公式，即

3) 對比了Chaboche和雙折線本構(gòu)模型，通過試件的單軸拉伸仿真,驗(yàn)證了Chaboche本構(gòu)模型在鋼材塑性階段更能反映其非線性.

4) 設(shè)計了屈服承載力為700 kN的新型防屈曲鋼板墻，并基于Chaboche本構(gòu)模型對該防屈曲鋼板墻進(jìn)行的仿真驗(yàn)算，仿真滯回曲線光滑飽滿，證明了蓋板能夠提供足夠的側(cè)向剛度，并且滯回曲線包圍的面積大，說明鋼板墻具有較好的耗能效果，具有一定的實(shí)用性.