王 書 文

(中鐵二院華東勘察設(shè)計有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310004)

1 概述

在高層及多層鋼框架建筑結(jié)構(gòu)中，鋼板剪力墻是一種有效的抗側(cè)力構(gòu)件[1-5]。鋼板剪力墻與鋼框架結(jié)構(gòu)相結(jié)合，不僅在地震作用的初期階段具有較高的抗剪能力，更重要的是在地震作用的后期階段具有較高的延性表現(xiàn)了這種抗側(cè)力構(gòu)件良好的抗震性能。在現(xiàn)有DG/T 08—32—2015高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程中(以下簡稱《高規(guī)》)[6]，鋼板剪力墻可以作為抗側(cè)力構(gòu)件使用。目前存在厚板和薄板兩種鋼板剪力墻形式，對于厚板剪力墻而言，盡管大大地提高了鋼板剪力墻的抗震性能，但其用鋼量較大，經(jīng)濟效益大大降低，從某種程度阻礙了鋼板剪力墻的推廣和應(yīng)用。而薄鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，由于其自身輕薄，必然會導(dǎo)致局部屈曲荷載較低，從而降低了鋼板剪力墻的初始剛度和屈曲后延性性能。為了克服這一缺點，工程上常常采用帶加勁肋的鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，不僅可以克服上述問題，而且可以提高其局部屈曲荷載，且具有較高的屈曲后強度和承載潛力，同時也有較好的延性性能。國內(nèi)外學(xué)者對加筋肋鋼板進行了研究，但在全加勁肋的承載力研究方面還有明顯不足。

湯序霖等[7]對加勁肋的設(shè)置方式進行了對比試驗研究，作者對比了僅設(shè)置縱向加勁肋、橫向加勁肋和雙向加勁肋三種情況，結(jié)果表明：僅設(shè)置單向加勁肋對鋼板的承載力提高不明顯，而設(shè)置雙向加勁肋可明顯提高鋼板的承載力。王浩[8]對剪力墻的設(shè)計進行了進一步研究。王先鐵等[9]對洞口加勁肋進行了研究，他研究了加勁肋剛度、強度對開洞鋼板剪力墻性能的影響，結(jié)果表明：增大加勁肋剛度，可提高開洞鋼板剪力墻的彈性屈曲應(yīng)力，高寬比對開洞鋼板剪力墻屈曲應(yīng)力的提高較為顯著，而寬厚比對開洞鋼板剪力墻屈曲應(yīng)力影響較小。姜寶龍[10]對帶T形加勁肋雙鋼板組合剪力墻進行了研究，通過對剪力墻的軸壓比和剪跨比進行試驗和有限元分析，結(jié)果表明：軸壓比對剪力墻的承載力影響不大，剪跨比的增大會使剪力墻加載剛度和水平峰值荷載大幅減小。郝婷玥等[11]研究了豎向鋼板加勁肋對內(nèi)置鋼板—混凝土組合剪力墻軸壓性能通過設(shè)置2組對比實驗，結(jié)果表明：豎向加筋肋對剪力墻的軸壓承載力提升較大。童根樹等[12]對鋼板剪力墻單側(cè)加勁肋的有效剛度展開研究，通過采用隔離體方法，并使得墻板與加筋肋在連接處滿足變形連續(xù)，最終得出單側(cè)加筋肋的有效寬度公式。綜上，雖學(xué)者們對T型加筋肋，十字加筋肋的屈曲性能及臨界應(yīng)力狀態(tài)有一定研究，但對全加筋肋極限承載力研究不足。

基于此，本文采用ABAQUS有限元軟件建立了三組不同高寬比的全加勁肋鋼板模型，采用ABAQUS有限元軟件，對全加勁肋鋼板結(jié)構(gòu)極限承載力和滯回性能進行了系統(tǒng)分析，通過改變?nèi)觿爬咪摪褰Y(jié)構(gòu)的高寬比，得到全加勁肋鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的局部屈曲性能和整體穩(wěn)定性能變化趨勢，最終提出高跨比與結(jié)構(gòu)承載力性能的概念關(guān)系，為鋼板剪力墻的設(shè)計和應(yīng)用提供概念依據(jù)。

2 有限元分析

2.1 模型簡介

全加勁肋鋼板如圖1a)，圖1b)所示，h為板寬，l為板高度。邊界條件根據(jù)工程實踐，將其簡化為如圖2所示的模型，即將邊界條件簡化為全加勁肋鋼板底部嵌固，上部水平定向滑動，左右為自由邊界(見圖1c))。受力條件為：在全加勁肋鋼板上端鋼板平面內(nèi)僅受單向水平靜力作用，全加勁鋼板受力如圖1d)所示。全加勁鋼板由兩側(cè)加勁肋和十字加勁肋組合而成。沿鋼板左右自由邊、鋼板中線分別焊接雙面布置的加勁肋。

2.2 分析工況

為研究全加勁肋鋼板的極限承載力及位移性能，本文共分三組模型展開分析。模型特征為H型柱邊框內(nèi)填十字加勁肋鋼板，試件設(shè)計參數(shù)如表1所示(單位為mm)。板與板上加勁肋厚均為12 mm，且考慮柱翼緣和腹板局部屈曲的影響。內(nèi)填鋼板通過連接板與框架四邊均焊接連接，鋼材為Q235B，角焊縫按現(xiàn)行規(guī)范要求進行設(shè)計。具體尺寸如表1所示。

表1 計算模型分析工況(一)

2.3 邊界條件

如前文2.1所述，對模型采用如下假定：梁柱節(jié)點為理想剛接?？紤]到實際結(jié)構(gòu)中樓板對框架面外位移的約束作用，約束梁上翼緣的面外自由度，以防止結(jié)構(gòu)面外失穩(wěn)。三個模型均為底部嵌固，上部滑動，左右自由邊界。

2.4 受力條件

為分析各模型在寬度或高寬比不同的條件下承載力的區(qū)別，采用1 350×2 700×12 mm，1 500×2 700×12 mm，1 800×2 700×12三種模型,分析其分別在相同邊界的條件下的三種模型的臨界荷載，在三個模型全加勁肋鋼板上端及鋼板平面僅受單向水平靜力作用。依據(jù)JGJ 101—1996建筑抗震試驗方法規(guī)程的規(guī)定，擬靜力試驗的加載程序采用荷載與位移雙控制的方法。在試件屈服(以荷載—位移曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折作為屈服標志)前，采用荷載控制加載;接近屈服前宜減小荷載級差；試件屈服后則由位移控制加載，以試件屈服時最大位移值的整倍數(shù)為加載級差對試驗加載進行控制。具體加載方案見表2。

表2 計算模型分析工況(二)

2.5 建立模型

采用有限元軟件ABAQUS進行建模，對模型進行單因素加載分析，以找出臨界位移與荷載間的關(guān)系。鋼材均采用Q235鋼材，本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，實現(xiàn)建模的過程如下：首先，通過幾何建模方法，用Shell181單元創(chuàng)建模型的各種構(gòu)件，通過布爾運算形成幾何模型。然后賦予幾何模型材料屬性、單元類型以及截面屬性，劃分網(wǎng)格形成有限元模型；施加相應(yīng)的邊界約束：在施加水平及豎向荷載處進行節(jié)點耦合；對梁中線位移所有節(jié)點進行面外約束來模擬防止梁面外失穩(wěn)；為模擬結(jié)構(gòu)底部固結(jié)，對柱和墻板底部所有節(jié)點進行固結(jié)約束,最后對模型進行屈曲分析。選取失穩(wěn)荷載和失穩(wěn)位移作為關(guān)鍵性性能指標作為對比。改變長寬比，重新建造模型，再次進行屈曲分析，得出不同長寬比a荷載與位移的變化關(guān)系。模型及結(jié)果如圖2～圖4所示。

3 結(jié)果分析

由圖5可得：隨著加勁肋鋼板的高寬比(1～2.0變化)增加，承載力會逐漸變大，從1 100 kN增大到1 800 kN，大約增大1.64倍，同時得出加勁肋鋼板與普通鋼板在強度上明顯提高,該形式鋼板將有更廣的運用空間。加載位移在0 mm～50 mm區(qū)間，荷載位移曲線大致呈線彈性變化，位移增大，荷載隨之大約以正比形式遞增，而當位移變化至50 mm～300 mm區(qū)段時，荷載值增大不超過3%，非常接近臨界荷載，原因可能是鋼板位移過大引起失穩(wěn)造成的。

通過本文研究的三組加勁肋鋼板，分析得到了其相應(yīng)工況的臨界荷載和臨界位移，如表3所示。由表3可得：高寬比與失穩(wěn)位移和荷載都呈單調(diào)關(guān)系。高寬比增大，結(jié)構(gòu)愈趨于不穩(wěn)定，結(jié)果可為實際工程提供一定參考。

表3 計算模型分析工況(三)

4 結(jié)語

1)全加勁肋鋼板具有良好的承載力、抗側(cè)剛度、延性，是一種抗震性能優(yōu)越的組合剪力墻。該類型剪力墻可為今后的研究、設(shè)計工作提供較好參考。

2)高寬比越大，臨界力越小，失穩(wěn)時發(fā)生的位移越小。高寬比越小，臨界力越大，失穩(wěn)時發(fā)生的位移也越大。

3)由圖1知，當鋼板所受的外力荷載大小到一定值后，沿力的方向上的位移發(fā)生大范圍變化時，外力荷載大小數(shù)值基本不變，由此可以說明此時鋼板失穩(wěn)。

4)由表1可知，鋼板橫截面積一定且鋼板一端受橫向剪力荷載作用下時，鋼板越長失穩(wěn)位移越小。由此說明鋼板在剪力荷載作用下其長度越長越容易發(fā)生失穩(wěn)。