趙滇生,魏永坤

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310014)

鋼板剪力墻是一種能夠有效抵抗風(fēng)力和地震力的新型抗側(cè)力體系,由內(nèi)嵌鋼板、周邊梁柱以及連接件和加勁肋等組成[1]。多箱鋼板剪力墻是一種新型鋼板剪力墻結(jié)構(gòu),墻體內(nèi)腔根據(jù)需要可以選擇澆筑混凝土,具有構(gòu)件制作方便簡(jiǎn)單、施工速度快、用鋼量經(jīng)濟(jì)、自重輕等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)一組一字型多箱鋼板剪力墻,對(duì)其進(jìn)行單調(diào)加載試驗(yàn)[2]和非線性有限元分析,分析了剪力墻靜力受力性能及箱數(shù)和高寬比的影響。并根據(jù)分析結(jié)果,分析規(guī)范公式對(duì)該類(lèi)截面的適用性。

1 試驗(yàn)分析

1.1 試件

所有的試件均采用Q235B鋼材,系采用熱軋H型鋼與熱軋鋼板焊接而成,鋼板厚度t均為3 mm。試件的水平荷載由加載系統(tǒng)自動(dòng)收集,同時(shí)在試件頂部和底部一端設(shè)置位移計(jì)。此外,在試件中布置12個(gè)應(yīng)變花測(cè)量墻體關(guān)鍵部位的應(yīng)變。以五箱截面為例,截面形式以及測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。經(jīng)過(guò)同材料鋼材制作標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn),測(cè)得鋼材的主要力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。試件編號(hào)、截面尺寸、主要截面特征見(jiàn)表2。

圖1 多箱鋼板剪力墻試件示意圖

鋼材型號(hào)屈服強(qiáng)度f(wàn)y/MPa抗拉強(qiáng)度f(wàn)u/MPa彈性模量Es/GPa泊松比ν伸長(zhǎng)率δ/%Q235240351.72050.3037

表2 多箱鋼板剪力墻試件尺寸

1.2 加載方式

試驗(yàn)通過(guò)擬靜力電液伺服加載系統(tǒng)進(jìn)行加載,該加載裝置可通過(guò)豎向千斤頂加載1 000 kN的荷載,通過(guò)水平千斤頂加載600 kN的荷載,加載裝置見(jiàn)圖2。

圖2 加載裝置

水平荷載正式加載按照力控制分級(jí)單調(diào)加載,當(dāng)試件能夠維持施加的水平力降到峰值水平力的85%以下時(shí),停止實(shí)驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)加載結(jié)果繪制圖3荷載-撓度曲線,各試件受力性能參數(shù)見(jiàn)表3。

圖3 試件荷載-撓度曲線

編號(hào)高寬比箱數(shù)屈曲承載力Py/kN屈服位移uy/mm極限承載力Pmax/kN極限位移umax/mm延性比βKL1854969.259042.54.62KL26.444808.652336.84.28KL34.8342014450KL48429512.2349615KL58320810.228247.54.66

從結(jié)果可知,試件的延性比在4～5之間,平均值為4.64,位移延性系數(shù)大于4,表明剪力墻延性良好,試件屈服后仍有較好的變形能力。試件KL3的位移延性比較小,主要是墻體出現(xiàn)整體面外屈曲失效,變形未充分發(fā)展。對(duì)比試件KL1、KL2和KL3,隨著高寬比的增加,剪力墻的初始剛度和承載能力增大,高寬比較大的試件屈服承載力與極限承載力均有所提高。原因是高寬比較大的墻體單個(gè)箱體寬度更小,加勁肋更密,因而有效提高了鋼板的抗局部屈曲能力；同時(shí)隨著高寬比的增大,構(gòu)件延性比也有所提高,說(shuō)明增大剪力墻的高寬比可有效提高其延性。對(duì)比試件KL3和KL4可以發(fā)現(xiàn)隨著箱數(shù)的增加,構(gòu)件的屈服荷載與峰值荷載均有明顯提高,而延性比卻變化不大。綜上,構(gòu)件高寬比大,延性較好,承載力較好。增加構(gòu)件箱數(shù)可以提高其水平承載力,但對(duì)構(gòu)件延性影響不大。

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)多箱鋼板剪力墻不僅具有較高的初始剛度、屈服承載力和極限承載力,而且具有較好的延性。在正常使用狀態(tài)下可以有效地控制建筑物的橫向側(cè)移,而在罕遇地震作用時(shí)也可以保持足夠的承載力儲(chǔ)備和較好的延性。

2 有限元分析

本文采用有限元軟件ABAQUS分析選取二維殼S4R單元,采用弧長(zhǎng)法求解幾何非線性和材料非線性問(wèn)題[3]。模型截面和材料定義與試件相同,模擬試驗(yàn)條件施加約束和荷載進(jìn)行計(jì)算。數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果荷載-撓度曲線對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 構(gòu)件荷載-撓度曲線對(duì)比

從圖4中可以看出有限元模型分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果大致吻合,極限承載力與試驗(yàn)結(jié)果接近。但是高估了試件的初始剛度和極限承載力,低估了試件的變形,分析認(rèn)為可能是由于以下原因造成的：

1) 有限元模型里的約束剛度相比試驗(yàn)構(gòu)件實(shí)際的約束更大,從而導(dǎo)致其分析得到的承載力較高；

2) 試驗(yàn)試件在試驗(yàn)時(shí),由于沒(méi)有平面外約束,墻板出現(xiàn)面外整體變形,影響試件的剛度和承載力,使試件的變形增大；

3) 試驗(yàn)試件制作過(guò)程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力和初始變形導(dǎo)致試件的剛度和承載力有所下降；

4) 通過(guò)多箱截面鋼板剪力墻極限承載力與屈曲承載力的比較可知,多箱鋼板剪力墻在鋼板局部屈曲后還有很大的屈曲后強(qiáng)度可利用,因此在罕遇地震作用下利用多箱鋼板剪力墻的屈曲后強(qiáng)度不僅可以提高構(gòu)件的延性,達(dá)到節(jié)能的目的,同時(shí)還可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

另外,對(duì)鋼材強(qiáng)度等級(jí)分別為Q235、Q345、Q390、Q420多箱鋼板剪力墻建立了有限元模型,對(duì)比分析表明隨著鋼材強(qiáng)度等級(jí)的提高,多箱鋼板剪力墻的極限承載力在一定階段出現(xiàn)明顯提升,但是隨著鋼材強(qiáng)度等級(jí)的繼續(xù)提高,其影響也在逐漸減小,同時(shí)，會(huì)在一定程度上降低多箱鋼板剪力墻的延性[4]。

3 規(guī)范公式驗(yàn)證

《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 99—2015)》在附錄B.3.2中，給出了僅設(shè)置豎向加勁肋的鋼板剪力墻的彈性剪切屈曲臨界應(yīng)力計(jì)算公式。多箱鋼板剪力墻彈性屈曲承載力試驗(yàn)結(jié)果與公式計(jì)算結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 承載力對(duì)比

由表4可知,《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 99—2015)》中僅設(shè)置豎向加勁肋的鋼板剪力墻彈性屈曲抗剪承載力公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,說(shuō)明該公式也適用于多箱鋼板剪力墻的彈性屈曲抗剪承載力計(jì)算。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)上述的分析結(jié)果,可得以下結(jié)論:

1) 多箱鋼板剪力墻總體表現(xiàn)出具有較高的承載能力、抗側(cè)剛度和良好的延性,能較好地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)“耗能抗震”的設(shè)計(jì)理念；

2) 相同高度多箱鋼板剪力墻極限承載力隨高寬比和箱數(shù)的增大而增大；

3) 多箱鋼板剪力墻荷載位移曲線的試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析吻合較好；

4) 試驗(yàn)和有限元分析結(jié)果與《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 99—2015)》附錄B.3.2公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比，表明該公式可應(yīng)用于多箱鋼板剪力墻的彈性抗剪承載力計(jì)算中;

5) 在抗震設(shè)計(jì)中,多箱截面鋼板剪力墻在彈性屈曲后還有較大的屈曲后強(qiáng)度可以利用。