加勁肋對VV-SPSW剪切屈曲性能影響分析★

馬 鉞 尚慶圓 李 達

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

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

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生屈曲，提高構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，在高層結構中將其與鋼框架結合可以形成很好的多重抗側力結構體系。

對VV-SPSW力學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化數值模擬，分析了加勁肋各指標對其剪切屈曲性能的影響，對加勁肋設計提出了有益的建議。

2 數值模擬

采用有限元軟件ANSYS10.0對跨高比區間為[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。所有構件采用Shell181單元，自適應方法劃分單元網格；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，根據受剪后面外變形在內填鋼板墻中出現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性能的無量綱參數，可用式(1)表示：

(1)

其中，E為彈性模量；Is為加勁肋繞內置鋼板形心軸的截面慣性矩；D為內置鋼板柱面剛度；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量一定的條件下，只要η值相等，鋼板的彈性剪切屈曲系數的變化就非常小，因此η是一個衡量邊框對板約束程度的合理參數。

有限元模型中，板側加勁肋為方鋼管截面，板內加勁肋為槽鋼截面。參考《國標熱軋型鋼》和《結構用冷彎空心型鋼》，并結合工程中實際應用情況，將加勁肋截面分為以下三組：第一組：板側加勁肋為方鋼管120 mm×8 mm，板內加勁肋為槽鋼[10；第二組：板側加勁肋為方鋼管120 mm×8 mm，板內加勁肋為槽鋼[12.6；第三組：板側加勁肋為方鋼管150 mm×8 mm，板內加勁肋為槽鋼[14b。

分析表明，屈曲系數kτ隨η的增加而增大，當η增加到一定數值范圍內，曲線的斜率開始變小，即屈曲系數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變化較快，而當剛度系數較大時，特征值屈曲系數的增長較為緩慢，繼續增加肋板剛度比對臨界屈曲系數kτ提高的效果并不明顯。

同一跨高比不同加勁肋數量所對應的特征值屈曲系數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量不變的條件下變化加勁肋截面大小時，特征值屈曲系數的變化趨勢幾乎完全重合；這說明加勁肋數量是影響特征值屈曲系數的一個重要因素，而加勁肋截面對臨界屈曲特征值系數影響相對較小。

圖4為跨高比λ=1.5時屈曲系數kτ隨η及加勁肋截面及數量變化的關系曲線。

4 加勁肋影響因素二——加勁肋數量

根據所選試件模型，加勁肋數量分別為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L/H<1時提高比隨著跨高比的增加而減小，當L/H≥1時隨著跨高比的增加而增大。

中部槽鋼加勁肋數量變化的條件下，隨著各個參數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，同樣得出加勁肋數量變化下的屈曲荷載提高幅度變化趨勢類似的結論。

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%。

加勁肋數量和面積變化的各個計算模型的特征值屈曲系數隨著肋板剛度系數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隨著η系數的增加而增大，二者的變化并不滿足線性比例關系。在肋板剛度比系數較小的范圍內，屈曲系數的變化率較大，但是隨著η增大到一定范圍時，屈曲系數的增加開始變得緩慢。進而使得增大加勁肋截面和數量并不能很有效的獲得相應的臨界應力，從使用角度和經濟成本出發，在一定跨高比的條件下，一味的增加加勁肋截面和數量必要性不大。

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

6 結語

1)肋板剛度比、加勁肋根數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kτ隨肋板剛度比η的增加而增大，尤以板內加勁肋的影響最為顯著。但當η增加到一定數量時，kτ的增速變緩。

3)加勁肋的根數對剪切屈曲系數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定性分析[D].北京：北京科技大學碩士學位論文，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].北京科技大學學報，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].東北大學學報(自然科學版)，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].東北大學學報(自然科學版)，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].鋼結構，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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