组合钢板剪力墙屈曲强度研究
齐 益1,顾 强1,2
【摘 要】钢板外包钢筋混凝土组合剪力墙侧向刚度大、延性好,是一种有效的抗侧力构件。薄钢板墙两侧或单侧的钢筋混凝土板通过焊接栓钉和粘结作用与钢板共同工作。混凝土板旨在防止钢板受剪屈服前发生整体屈曲或局部屈曲,外包混凝土板厚度的确定是组合钢板剪力墙设计的关键。采用有限元法对组合墙板进行了弹性屈曲分析;采用薄板理论建立了组合剪力墙屈曲强度简化计算公式;讨论了板边界条件、混凝土板高厚比、钢板高厚比、混凝土弹性模量及板高宽比对有限元计算与简化公式计算结果间差异的影响;基于简化公式和有限元计算结果提出了组合钢板剪力墙弹性屈曲强度计算公式,可用于确定外包混凝土板厚度需求。
【期刊名称】建筑钢结构进展 【年(卷),期】2017(019)003 【总页数】8
【关键词】组合钢板剪力墙; 混凝土板厚度; 屈曲强度; 有限元分析; 薄板理论 钢板外包钢筋混凝土组合剪力墙(Composite Steel Plate Shear Wall,简称C-SPW)是在薄钢板墙两侧或单侧浇筑一定厚度的钢筋混凝土板,为钢板提供屈曲约束并与钢板共同承受层间剪力。混凝土板与钢板间用焊接栓钉相连,能有效防止钢板屈曲造成的平面外变形过大、抗侧刚度降低、滞回曲线捏缩等问题。 外包混凝土板的设计原则是内嵌钢板在受剪屈服前不发生整体或局部屈曲,确定混凝土板厚度是组合剪力墙设计的关键问题,但少有文献研究与钢板剪切屈服承载力相匹配的混凝土板厚设计方法。美国AISC 2005规范(Seismic provisions
for structural steel buildings)[1]原则性要求对组合钢板剪力墙进行线性屈曲分析确定混凝土板厚,仅提出了最小混凝土板厚的构造要求。组合钢板的线性屈曲分析较复杂,要求设计人员进行组合钢板的屈曲分析有一定困难,会制约钢板外包混凝土组合剪力墙在工程中的应用。
ASTANEH-ASL[2]设想按弯曲刚度等效将混凝土板转换成纵、横向加劲肋,加劲肋的间距等于栓钉间距,采用加劲板或正交异性板弹性屈曲理论计算组合钢板的屈曲,以加劲板整体屈曲及局部屈曲临界应力均大于钢板的剪切屈服应力为条件得到所需等效加劲肋高度,即所需混凝土板厚度。AISC[1]构造要求混凝土板(单侧或双侧)的总厚度不应小于203 mm(8 in.)。郭彦林等[3]采用分层板有限元模型对防屈曲钢板剪力墙(外包混凝土板为预制,且与梁柱间留有间隙,用螺栓与钢板相连,构造与C-SPW不同,且混凝土板不分担层剪力)进行了弹性屈曲分析,指出当单侧混凝土板厚度大于30 mm时,钢板的屈曲应力超过其剪切屈服应力。ARABZADEH等[4]和SMITH等[5]考虑了混凝土板与钢板的接触及剪力钉应变能,采用瑞利-里兹法计算得到了单侧外包混凝土板组合钢板墙整体及局部屈曲的剪切屈曲系数。 ARABZADEH等[6]的计算结果与试验得到的剪切屈曲强度误差在10%左右。LOPATIN等[7]考虑了板厚度方向的剪切变形和夹层板材料的各向异性,采用迦辽金法求解了四边固接夹层板的屈曲荷载。李锋等[8]对上、下边固定,左、右边设置偏心支撑的内填钢板剪力墙进行了弹性屈曲分析,研究了内填钢板高厚比、宽高比及边柱弹性刚度对剪力墙弹性屈曲系数和屈曲荷载的影响。
将C-SPW等效为双向加劲板的有效性并未经过研究验证,混凝土板厚度不小于203 mm(8 in.)的要求也未见其依据;求解夹层板屈曲强度的过程复杂、精确度
也不理想;有限元计算不能给出组合钢板屈曲强度的解析式。本文采用有限元分析与简化理论分析相结合的方法研究了C-SPW的屈曲强度,拟合出C-SPW屈曲强度简化计算公式,可直接用于确定混凝土板厚度需求。
1 有限元模型
1.1 单元及边界条件
本文分别采用复合壳单元及实体单元模拟组合钢板,运用ABAQUS软件对C-SPW进行线性屈曲分析。复合壳单元采用同时适用于薄板与厚板的S4R单元和专门用于厚板分析的S8R单元,实体单元采用能克服完全积分引起剪切自锁的非协调单元C3D8I。板厚度方向取为z轴,板的宽、高方向分别为x、y轴,自由度Ux、Uy、Uz、URx、URy、URz分别对应ABAQUS中的U1、U2、U3、UR1、UR2、UR3。
板单元划分及荷载如图1所示,壳单元模型对板周边施加平行于边长的线荷载;实体单元模型对板周边4个面施加平行于边长的面荷载。板的四边及底角编号如图1所示。壳单元模型的边界条件分为四边简支和四边固接,首先约束板底角5的自由度U1、U2、U3、UR1、UR2,约束底角6 的U2、U3、UR1、UR2。板四边简支模型1[9](以下称简支1)约束板1、3边的U3、UR1和2、4边的U3、UR2;板四边简支模型2[10](以下称简支2)约束板1至4边的U3;板四边固接模型约束1至4边的U3、UR1、UR2,固接板采用复合壳单元S4R和S8R(以下分别称固接1、固接2);实体单元模型为四边简支(以下称简支3),约束板1至4边的U3并约束板底角5的U1和底角6的U1、U2。 1.2 有限元模型验证
为了验证有限元模型的合理性,在对组合钢板分析之前,先对裸钢板进行受剪屈曲
组合钢板剪力墙屈曲强度研究
