加勁肋對VV-SPSW剪切屈曲性能影響分析★

馬 鉞 尚慶圓 李 達

(1.陽泉市建筑設(shè)計院，山西 陽泉 045000;2.中國建筑科學(xué)研究院建研科技股份有限公司，北京 100013; 3.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000)

加勁肋對VV-SPSW剪切屈曲性能影響分析★

馬 鉞1尚慶圓2李 達3

(1.陽泉市建筑設(shè)計院，山西 陽泉 045000;2.中國建筑科學(xué)研究院建研科技股份有限公司，北京 100013; 3.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000)

采用有限元軟件ANSYS10.0對多組VV-SPSW模型進行數(shù)值模擬，分析了肋板剛度比、加勁肋根數(shù)、加勁肋數(shù)量等對VV-SPSW剪切屈曲性能的影響，并給出了VV-SPSW的加勁肋設(shè)計的合理建議，為同類工程問題的研究提供了參考依據(jù)。

加勁肋，VV-SPSW，剪切屈曲性能

1 概述

VV-SPSW(Vertical Connected Steel Plate Shear Wall with Vertical Stiffeners)是僅與框架梁豎向相連的豎加勁鋼板剪力墻(見圖1)，豎向加勁肋可避免填鋼板較早發(fā)生屈曲，提高構(gòu)件的初始剛度和極限承載力，與柱脫縫則可以避免框架柱的過早破壞，在高層結(jié)構(gòu)中將其與鋼框架結(jié)合可以形成很好的多重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。

對VV-SPSW力學(xué)性能的研究尚處于初步階段。本文利用有限元軟件對VV-SPSW的剪切屈曲性能進行了參數(shù)化數(shù)值模擬，分析了加勁肋各指標(biāo)對其剪切屈曲性能的影響，對加勁肋設(shè)計提出了有益的建議。

2 數(shù)值模擬

采用有限元軟件ANSYS10.0對跨高比區(qū)間為[0.50，2.50]的270多個單板計算模型進行剪切荷載作用下的特征值屈曲分析。所有構(gòu)件采用Shell181單元，自適應(yīng)方法劃分單元網(wǎng)格；水平剪力以水平集中荷載的方式施加于頂邊耦合集的主節(jié)點，使用位移加載；不考慮鋼板墻的初始缺陷。鋼材為Q235，彈性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.3。在剪切作用下，根據(jù)受剪后面外變形在內(nèi)填鋼板墻中出現(xiàn)的位置可以分為整體屈曲和局部屈曲兩種(見圖2，圖3)。

3 加勁肋影響因素一——肋板剛度比

肋板剛度比η是影響加勁鋼板墻力學(xué)性能的無量綱參數(shù)，可用式(1)表示：

(1)

其中，E為彈性模量；Is為加勁肋繞內(nèi)置鋼板形心軸的截面慣性矩；D為內(nèi)置鋼板柱面剛度；t為鋼板厚度；L為鋼板墻跨度；μ為鋼材泊松比。已有研究表明在加勁肋數(shù)量一定的條件下，只要η值相等，鋼板的彈性剪切屈曲系數(shù)的變化就非常小，因此η是一個衡量邊框?qū)Π寮s束程度的合理參數(shù)。

有限元模型中，板側(cè)加勁肋為方鋼管截面，板內(nèi)加勁肋為槽鋼截面。參考《國標(biāo)熱軋型鋼》和《結(jié)構(gòu)用冷彎空心型鋼》，并結(jié)合工程中實際應(yīng)用情況，將加勁肋截面分為以下三組：第一組：板側(cè)加勁肋為方鋼管120 mm×8 mm，板內(nèi)加勁肋為槽鋼[10；第二組：板側(cè)加勁肋為方鋼管120 mm×8 mm，板內(nèi)加勁肋為槽鋼[12.6；第三組：板側(cè)加勁肋為方鋼管150 mm×8 mm，板內(nèi)加勁肋為槽鋼[14b。

分析表明，屈曲系數(shù)kτ隨η的增加而增大，當(dāng)η增加到一定數(shù)值范圍內(nèi)，曲線的斜率開始變小，即屈曲系數(shù)的增大速率開始變小；即中部槽鋼加勁肋與肋板剛度比值較小時，鋼板墻剪切屈曲系數(shù)變化較快，而當(dāng)剛度系數(shù)較大時，特征值屈曲系數(shù)的增長較為緩慢，繼續(xù)增加肋板剛度比對臨界屈曲系數(shù)kτ提高的效果并不明顯。

同一跨高比不同加勁肋數(shù)量所對應(yīng)的特征值屈曲系數(shù)隨著肋板剛度比的增加相差逐漸增大；但是在同一跨高比和加勁肋數(shù)量不變的條件下變化加勁肋截面大小時，特征值屈曲系數(shù)的變化趨勢幾乎完全重合；這說明加勁肋數(shù)量是影響特征值屈曲系數(shù)的一個重要因素，而加勁肋截面對臨界屈曲特征值系數(shù)影響相對較小。

圖4為跨高比λ=1.5時屈曲系數(shù)kτ隨η及加勁肋截面及數(shù)量變化的關(guān)系曲線。

4 加勁肋影響因素二——加勁肋數(shù)量

根據(jù)所選試件模型，加勁肋數(shù)量分別為m=1,2,3,4,5。從圖5可見，鋼板墻特征值屈曲荷載的提高比率隨著加勁肋數(shù)量的增加而增大；但是隨著鋼板墻厚度的增加提高幅度逐漸下降。當(dāng)L/H<1時提高比隨著跨高比的增加而減小，當(dāng)L/H≥1時隨著跨高比的增加而增大。

中部槽鋼加勁肋數(shù)量變化的條件下，隨著各個參數(shù)量的增加其屈曲荷載的提高比率增幅逐漸下降。例如加勁肋數(shù)量從1～3的過程中，隨著鋼板墻厚度的增加，臨界特征值屈曲荷載提高幅度減小，而且隨著跨高比的增加其臨界屈曲荷載的提高幅度也有所下降。進一步的多組比較，同樣得出加勁肋數(shù)量變化下的屈曲荷載提高幅度變化趨勢類似的結(jié)論。

5 加勁肋影響因素三——加勁肋截面

盡管加勁肋截面對特征值屈曲系數(shù)的影響不是很大，但是對臨界屈曲荷載的提高還是有影響的。選擇槽鋼[10和[12.6及方鋼管100 mm×8 mm和130 mm×8 mm四種加勁肋截面，在鋼板墻厚度、加勁肋數(shù)量及跨高比一定的條件下，臨界屈曲荷載隨加勁肋截面增加而增大，其臨界屈曲荷載提高率在11.98%～18.69%之間，平均提高率為15.86%。

加勁肋數(shù)量和面積變化的各個計算模型的特征值屈曲系數(shù)隨著肋板剛度系數(shù)比的變化圖以及量化分析可知：單片鋼板墻的特征值屈曲系數(shù)隨著η系數(shù)的增加而增大，二者的變化并不滿足線性比例關(guān)系。在肋板剛度比系數(shù)較小的范圍內(nèi)，屈曲系數(shù)的變化率較大，但是隨著η增大到一定范圍時，屈曲系數(shù)的增加開始變得緩慢。進而使得增大加勁肋截面和數(shù)量并不能很有效的獲得相應(yīng)的臨界應(yīng)力，從使用角度和經(jīng)濟成本出發(fā)，在一定跨高比的條件下，一味的增加加勁肋截面和數(shù)量必要性不大。

由上述加勁肋截面對屈曲系數(shù)的影響分析可以看出，加勁肋截面面積對彈性屈曲系數(shù)的影響很??；在同一跨高比內(nèi)，加勁肋的數(shù)量對彈性屈曲系數(shù)有一定的影響。

6 結(jié)語

1)肋板剛度比、加勁肋根數(shù)和加勁肋截面的大小都會影響VV-SPSW的剪切屈曲性能。其中以肋板剛度比的影響最大。

2)剪切屈曲系數(shù)kτ隨肋板剛度比η的增加而增大，尤以板內(nèi)加勁肋的影響最為顯著。但當(dāng)η增加到一定數(shù)量時，kτ的增速變緩。

3)加勁肋的根數(shù)對剪切屈曲系數(shù)的影響程度大于加勁肋截面的影響程度。因此，在相同用鋼量的前提下，增加加勁肋根數(shù)可以更有效地提高VV-SPSW剪切屈曲性能。

[1] 尚慶圓.豎向加勁式鋼板剪力墻的穩(wěn)定性分析[D].北京：北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

[2] 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(xué)學(xué)報，2013,35(2)：256-264.

[3] 牟在根，薛 園，李黎明.三層三跨鋼框架—鋼板剪力墻抗震性能試驗[J].東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013，34(8)：1196-1201.

[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(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014，35(11)：1631-1635.

[5] 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(jié)構(gòu)，2014(12)：1-7.

Ribbed stiffeners impact analysis of VV-SPSW shear buckling performance★

Ma Yue1Shang Qingyuan2Li Da3

(1.YangquanArchitectureDesignInstitute,Yangquan045000,China;2.CABRTECH,Beijing100013,China； 3.ShanxiInstituteofTechnology,Yangquan045000,China)

Many sets of VV-SPSW models are numerically simulate by finite element software ANSYS10.0, and analyse the effect of ribbed stiffener-plate stiffness ratio, ribbed stiffener numbers and ribbed stiffener cross-sectional area on the shear buckling performance of the VV-SPSW, (then) give reasonable suggestions about the ribbed stiffener design of the VV-SPSW, it provides reference for similar engineering problems research.

ribbed stiffener， VV-SPSW， shear buckling performance

2015-06-25★：山西省自然科學(xué)基金資助項目(項目編號：2013011027-2)

馬 鉞(1975- )，男，工程師; 尚慶圓(1985- )，男，工程師; 李 達(1969- )，男，副教授

1009-6825(2015)25-0033-02

TU398.2

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