杜文學(xué) 朱文波 強夢穎

(黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150022)

基于板柱連接特性的防屈曲鋼板墻結(jié)構(gòu)數(shù)值分析★

杜文學(xué) 朱文波 強夢穎

(黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150022)

在防屈曲鋼板墻新型結(jié)構(gòu)體系研究的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值分析方法分析了板與柱不同連接形式(開縫、半剛接、剛接)下結(jié)構(gòu)位移荷載曲線、骨架曲線，分析對比了不同邊柱的剛度系數(shù)對三種防屈曲鋼板墻承載力的影響，結(jié)果表明:當(dāng)邊柱剛度系數(shù)為50.88時，剛接板比半剛接板的極限承載力提高約3%;當(dāng)邊柱剛度系數(shù)為22.17，35.11時，半剛接板的極限承載力卻高于剛接板。

鋼板剪力墻，防屈曲鋼板墻，數(shù)值模擬

組合鋼板剪力墻的抗剪強度高、整體性強、能很好的抑制鋼板在平面外的屈曲，但是也存在不足之處，混凝土板剛度大，側(cè)移量很小時，角部混凝土與框架、混凝土與銷釘均會相互擠壓，當(dāng)混凝土被壓碎脫落后就不能很好的抑制鋼板平面外屈曲［1-4］。針對這種缺陷，我國學(xué)者郭彥林提出防曲屈鋼板墻［5-8］，通過混凝土蓋板和內(nèi)嵌鋼板接觸面之間相互錯動的機制，以釋放因鋼板變形對混凝土蓋板產(chǎn)生的作用力，使混凝土蓋板免遭破壞，為鋼板提供持續(xù)穩(wěn)定的面外支撐。但在混凝土板與鋼板發(fā)生相互錯動的同時，鋼板內(nèi)形成的拉力帶又會對邊柱造成附加彎矩的作用［9-13］，目前國內(nèi)外尚未對板與柱連接特性進行研究。為減弱這種拉力的作用，筆者從板與柱連接特性出發(fā)，分別研究了板與柱開縫、半剛接、剛接這三種連接形式對防屈曲鋼板墻結(jié)構(gòu)承載力的影響。

1 有限元模型

1.1 截面尺寸

試件編號為XXX。W代表防屈曲鋼板墻;KF代表開縫;BG代表半剛接;GJ代表剛接。如WKF為板與柱開縫防曲屈鋼板剪力墻。各個構(gòu)件的尺寸見表1。

表1 構(gòu)件截面表

1.2 有限元模型

構(gòu)件中鋼材均采用帶強化段的三折線本構(gòu)模型，E=2.06× 105MPa，fy=235 MPa，Yε=0.001 14，強化初應(yīng)變εst=0.02，強化切線模量Et=0．03E?；炷翉姸鹊燃墳镃30。梁、柱和混凝土板采用實體單元(C3D8)，鋼板采用一般殼單元(S4R)，板與梁、梁與柱采用綁定約束，分析中用“面面接觸”單元來模擬內(nèi)嵌鋼板與兩側(cè)混凝土蓋板之間的相互作用，混凝土板采用約束自由度的方法，約束Z方向的自由度，來約束鋼板的面外曲屈。半剛性連接通過定義角鋼與鋼板之間的摩擦系數(shù)來實現(xiàn)鋼板與框架連接的半剛性。切向?qū)傩远x為“罰”摩擦系數(shù)為0.5。加載方式采用位移加載制度，以5 mm為級差每級循環(huán)一次加載至60 mm。

2 結(jié)果分析

2.1 荷載—位移曲線

試件的荷載—位移曲線如圖1所示。由圖1可知，在單向加載中，當(dāng)柱子剛度系數(shù)β=22.17時，BGW的屈服荷載比KFW的屈服荷載提高約10%，極限承載力提高10%;BGW與GJW屈服荷載基本相同，進入塑性后，BGW比GJW承載力略高約3%。

圖1 荷載—位移曲線

當(dāng)柱子剛度系數(shù)β=35.11時，BGW的屈服荷載比KFW的屈服荷載提高約10%，極限承載力提高15%;BGW與GJW屈服荷載基本相同，進入塑性后，BGW比GJW承載力略高約2%。

當(dāng)柱子剛度系數(shù)β=50.88時，BGW的屈服荷載比KFW的屈服荷載提高約10%，極限承載力提高10%左右;BGW與GJW屈服荷載基本相同，進入塑性后，GJW比BGW承載力略高約2%。

2.2 應(yīng)力分布

1/50側(cè)移角下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力發(fā)展如圖2所示。由圖2a)，圖2b)可知，在側(cè)移量為60 mm時，由于角鋼對鋼板的側(cè)向約束作用，鋼板的壓屈并沒有板與柱開縫壓屈的明顯，在加載的后期板內(nèi)仍存在對拉條帶。由圖2c)可知，由于邊柱與鋼板剛接，板內(nèi)形成的拉力帶對邊柱有拉力的作用，邊柱的應(yīng)力明顯偏大。

2.3 承載力對比

循環(huán)荷載作用下試件的骨架曲線見圖3，承載力對比見表2。由表2可知，當(dāng)剛度系數(shù)β=22.17時，半剛接、剛接的屈服荷載比開縫分別提高了10.9%，11.2%;極限荷載分別提高了12.0%，8.9%，半剛接板的極限承載比剛接板提高了約2.8%。當(dāng)剛度系數(shù)β=35.11時，半剛性、剛接的屈服荷載比開縫分別提高11.3%，11.5%;半剛接板的極限承載比剛接板提高了約2%。當(dāng)剛度系數(shù)β=50.88時，半剛接、剛接的屈服荷載比開縫連接分別提高9.1%，9.5%;極限承載力分別提高了10.2%，13.1%。剛接比半剛接的極限荷載提高約3%。

圖2 Max.principal應(yīng)力分布

圖3 骨架曲線

表2 承載力對比

研究表明:在彈性階段，半剛接、剛性連接的結(jié)構(gòu)承載力比較接近，曲線幾乎重合;在柱剛度系數(shù)為20.17，35.11時，由于柱子剛度較弱，板與柱剛接，板內(nèi)形成的拉力帶對邊柱造成附加彎矩作用，導(dǎo)致柱子過早發(fā)生壓屈破壞。板與柱開縫，板內(nèi)形成的拉力桿數(shù)大量減少，因此開縫鋼板墻的側(cè)向承載力要小于板與柱剛接、半剛接防曲屈鋼板墻;板與柱半剛接，梁柱形成的拉力桿會減弱對柱子的拉力作用，柱子的壓屈破壞相應(yīng)的減弱，隨著位移增加，當(dāng)邊柱達到壓屈破壞時，反而提高了結(jié)構(gòu)的承載力。當(dāng)柱子剛度系數(shù)為50.88時，柱子剛度足夠大，可以提供板內(nèi)所形成的拉力桿所形成的拉力，在側(cè)移量為60 mm時柱子未發(fā)生壓屈破壞，在側(cè)移量一定的情況下，剛接板的極限承載力要大于半剛接板。

3 結(jié)語

通過對板與柱在不同連接形式下防曲屈鋼板墻的數(shù)值分析，得到以下結(jié)論:

1)當(dāng)邊柱剛度系數(shù)為22.17時，半剛接、剛接比開縫防曲屈鋼板墻的極限承載力分別提高了12%，8.9%;當(dāng)邊柱剛度系數(shù)為35.11時，半剛接、剛接比開縫防曲屈鋼板墻的極限承載力分別提高了14.6%，12.3%;當(dāng)邊柱的剛度系數(shù)為50.88時，剛接比半剛接防曲屈鋼板墻極限承載力提高了約3%。

2)板與柱開縫避免板內(nèi)形成的拉力帶對柱子造成的拉力作用，但板內(nèi)形成的拉力帶將隨之減少，拉力桿與x軸的傾角隨之增大，鋼板墻的承載力大大降低。

3)板與柱采用半剛性連接可以減弱板內(nèi)形成的拉力帶對邊柱造成的附加彎矩作用，避免了邊柱過早的發(fā)生壓屈破壞。

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Numerical analysis of buckling-restrained steel plate wall structure based on the connection between plate and column★

Du W enxue Zhu W enbo Qiang M engying

(School of Civil Engineering，Heilongjiang University of Science Technology，Harbin 150022，China)

On the basis of research the new structure system of buckling-restrained steel plate wall，structure displacement load curve and skeleton curve are analyzed with numericalmethod when the types of slab-column connections are different(open joint，semi-rigid joint，rigid joint). The influence that stiffness coefficient of different side columns on three kinds of buckling-restrained steel plate walls are compared.Results show thatwhen side column stiffness coefficient is50.88，the ultimate structural bearing capacity of rigid joint of is only 3%higher than that of semirigid joint;while side column stiffness coefficient is 22.17 and 35.11，the ultimate structural bearing capacity of semi-rigid joint is higher.

steel plate shear wall，buckling-restrained steel plate wall，numerical simulation

TU311.41

A

1009-6825(2015)29-0028-03

2015-08-10 ★:國家自然基金項目(項目編號:51478168)

杜文學(xué)(1977-)，男，副教授; 朱文波(1990-)，男，在讀碩士; 強夢穎(1991-)，女，在讀碩士