基于力學性能的VV-SPSW合理參數取值★

趙雅梅 張福建 張舉兵

(1.陽泉市建筑設計院，山西 陽泉 045000；2.國核電力規劃設計研究院，北京 100095；3.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

基于力學性能的VV-SPSW合理參數取值★

趙雅梅1張福建2張舉兵3

(1.陽泉市建筑設計院，山西 陽泉 045000；2.國核電力規劃設計研究院，北京 100095；3.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

利用ANSYS10.0軟件，對高度為2.5 m的VV-SPSW模型進行了大量參數化分析，研究了跨高比、高厚比、加勁肋間距和截面對VV-SPSW相關力學性能的影響，提出了基于極限荷載、初始剛度及剪切臨界屈曲荷載的VV-SPSW若干幾何參數和物理參數的合理取值范圍。

力學性能，VV-SPSW，幾何參數，物理參數

1 概述

新型抗側力構件VV-SPSW由于僅與框架梁相連接(見圖1)，避免了鋼板墻拉力帶直接將荷載傳遞到框架柱所引起的不利影響，同時有效地解決了薄鋼板剪力墻在豎向荷載作用下容易過早屈曲的問題，在高層混合結構中具有廣闊的應用前景[1]。本文利用有限元軟件ANSYS10.0對VV-SPSW進行了參數化分析，在此基礎上提出了基于極限荷載、初始剛度等力學性能的VV-SPSW相關幾何參數和物理參數的合理取值范圍。

2 ANSYS建模分析

使用有限元軟件ANSYS10.0對VV-SPSW建模時，單板計算模型高度均為2.5 m，其他建模數據均同文獻[2]。圖2為在ANSYS10.0中的VV-SPSW有限元模型圖。

3 幾何參數——跨高比(L/H)

分別取小跨高比(0.5～1.5)和大跨高比(1.5～2.5)進行有限元分析。結果表明，鋼板厚度一定時，不考慮加勁效應的影響，鋼板墻的極限荷載、初始剛度隨著跨高比的增加近似呈線性增長(見圖3)。

臨界剪切屈曲荷載隨L/H增大而增大，但在L/H>1.0之后增幅趨于平緩，由于加勁效應的影響，部分模型甚至出現幅度較小的降低，如圖4所示跨高比為1.0及2.25處。臨界軸壓屈曲荷載隨跨高比的增大而呈降低的趨勢，但是當跨高比大于1.0之后變化趨于平緩，尤其是跨高比大于1.5之后，變化非常微小，如圖5所示。

小跨高比VV-SPSW適用于門窗及過道布置，也便于結構工程師靈活調整結構剛度。但跨高比過小，其初始剛度、極限荷載及臨界剪切屈曲荷載均較小，結構的抗側能力不足。因VV-SPSW的臨界剪切屈曲荷載和軸壓屈曲荷載在L/H>1.0后變化趨于平緩，故在考慮加勁效應的影響后，可將鋼板墻的跨高比下限取1.0。

有限元分析表明，鋼板墻的滯回曲線隨著跨高比的增大會出現一定程度的捏攏現象，且跨高比越大捏攏現象越明顯[3]，VV-SPSW的試驗結果也證明了這一點[4]。而且構件的能量耗散系數絕大多數也會隨著跨高比的增大呈現降低的趨勢[5]。同時，限制VV-SPSW的跨高比，有利于提高其軸壓穩定性，從而提高其豎向承載力，且大跨高比鋼板墻不利于門窗等的布置。綜合考慮以上因素，建議跨高比的上限值取2.0。

4 幾何參數——高厚比(H/t)

鋼板墻的初始剛度、極限荷載、臨界屈曲荷載均隨鋼板厚度的增加近似呈線性增長(見圖6)。若板厚過小，則結構的初始剛度及承載力均較低，不利于控制結構在水平荷載下的側移。且鋼板墻滯回曲線的飽滿程度隨板厚的減小而呈降低的趨勢，捏縮效應也隨著板厚的減小而出現得越早。但鋼板墻厚度過大時，用鋼量也會隨著增大，成本較高。較厚的鋼板墻還會限制其拉力帶的發展，不利于利用鋼板墻的屈曲后強度，造成一定的浪費。結合本課題的研究，建議鋼板墻的最小厚度取10 mm，最大厚度不超過20 mm。

5 幾何參數——加勁肋間距

加勁肋的存在將鋼板墻劃分為更小的區隔，從而提高了鋼板墻的局部屈曲承載力，因而適當減小加勁肋間距可有效增強鋼板墻的整體穩定性，避免鋼板墻在發生整體屈曲前過早的發生局部屈曲。但過小的加勁肋間距，將使加勁肋數目過多，增加施焊工作量，也會增加工程的成本。

本課題對高度為2.5 m的鋼板墻進行大量的參數化分析，觀察不同板厚、不同跨高比情況下鋼板墻的屈曲模態，認為鋼板墻的加勁肋間距不宜大于1.2 m，且不宜小于0.7 m。

6 物理參數——加勁肋截面

6.1 中部槽鋼加勁肋

有限元分析表明，在加勁肋間距一定的情況下，鋼板墻的臨界屈曲荷載(系數)會隨加勁肋剛度的增大而增大，但增長的幅度會隨著肋板剛度比的增大而逐漸降低。當肋板的剛度比不大于10時，鋼板墻的屈曲荷載隨肋板剛度比的增大而增長的幅度較為明顯；當肋板剛度比大于20以后，增幅逐漸趨于平緩，此時繼續加大加勁肋的截面對于提高鋼板墻的承載力是很有限的，也很不經濟。且當鋼板墻的肋板剛度比不低于10時，鋼板墻在承受0.3的軸壓比下抗側移性能可以得到充分發揮，在0.4軸壓比下也具有一定的抗側移性能[1]。因此，VV-SPSW的中部加勁肋肋板剛度比取值區間為10～15，不宜超過20。

6.2 側邊方鋼管加勁肋

為保證對鋼板墻側邊的有效約束，同時考慮到與槽鋼加勁肋的匹配，建議從型鋼表里選擇與槽鋼的高度比較接近的方鋼管加勁肋，其厚度可選擇介于槽鋼加勁肋的腰厚與腿厚之間的方鋼管，且不宜小于槽鋼加勁肋的腰厚。可參考表1中的數據，根據槽鋼加勁肋的尺寸選取相應的方鋼管。

表1 槽鋼與方鋼管的合理匹配表 mm

7 結語

VV-SPSW跨高比的合理取值區間宜為1.0～2.0；鋼板厚度的合理取值區間宜為10 mm～20 mm；其高厚比的合理區間宜為125～250；加勁肋的合理間距宜為0.7 m～1.2 m，設計時建議加勁肋的間距先按1 m的間距選取，而后根據鋼板墻的跨度做出適當的調整；中部加勁肋的肋板剛度比取值區間為10～15，不宜超過20。

[1] 張福建.兩邊連接豎向加勁式鋼板剪力墻性能研究[D].北京：北京科技大學碩士學位論文，2013.

[2] 馬 鉞，尚慶圓，李 達.加勁肋對VV-SPSW剪切屈曲性能影響分析[J].山西建筑，2015,41(25)：33-34.

[3] 薛 園，蘇 珉，馬 東，等.兩邊連接豎向加勁鋼板剪力墻滯回性能研究[J].鋼結構，2014(12)：1-7.

[4] 牟在根，張福建，尚慶圓，等.兩邊連接豎向加勁式鋼板剪力墻試驗研究[J].東北大學學報(自然科學版)，2014，35(11)：1631-1635.

[5] 周吉祥，牟在根，李黎明.豎向加勁式鋼板剪力墻的抗剪性能[J].北京科技大學學報，2013，35(2)：256-264.

Reasonable parameter values of VV-SPSW based on mechanical performance★

Zhao Yamei1Zhang Fujian2Zhang Jubing3

(1.YangquanArchitectureDesignInstitute，Yangquan045000，China；2.StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstitute，Beijing100095，China；3.CivilandEnvironmentalEngineeringSchool，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

A large number of parametric analysis of the VV-SPSW height 2.5 m is carried out by using ANSYS10.0， study on the effect of span-height ratio， high-thickness ratio， stiffening rib spacing and cross section on the related mechanical performance of the VV-SPSW. Put forward the reasonable value range of some geometrical parameters and physical parameters of the VV-SPSW based on ultimate load,initial stiffness and shear critical buckling loads.

mechanical performance， VV-SPSW， geometrical parameters， physical parameters

2015-10-14 ★：山西省自然科學基金資助項目(項目編號：2013011027-2)

趙雅梅(1969- )，女，工程師；張福建(1986- )，男，助理工程師；張舉兵(1974- )，男，副教授

1009-6825(2015)36-0028-02

TU398.2 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A

A