基于板柱連接特性的防屈曲鋼板墻結構數值分析★

杜文學 朱文波 強夢穎

(黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江哈爾濱 150022)

基于板柱連接特性的防屈曲鋼板墻結構數值分析★

杜文學 朱文波 強夢穎

(黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江哈爾濱 150022)

在防屈曲鋼板墻新型結構體系研究的基礎上，采用數值分析方法分析了板與柱不同連接形式(開縫、半剛接、剛接)下結構位移荷載曲線、骨架曲線，分析對比了不同邊柱的剛度系數對三種防屈曲鋼板墻承載力的影響，結果表明:當邊柱剛度系數為50.88時，剛接板比半剛接板的極限承載力提高約3%;當邊柱剛度系數為22.17，35.11時，半剛接板的極限承載力卻高于剛接板。

鋼板剪力墻，防屈曲鋼板墻，數值模擬

組合鋼板剪力墻的抗剪強度高、整體性強、能很好的抑制鋼板在平面外的屈曲，但是也存在不足之處，混凝土板剛度大，側移量很小時，角部混凝土與框架、混凝土與銷釘均會相互擠壓，當混凝土被壓碎脫落后就不能很好的抑制鋼板平面外屈曲［1-4］。針對這種缺陷，我國學者郭彥林提出防曲屈鋼板墻［5-8］，通過混凝土蓋板和內嵌鋼板接觸面之間相互錯動的機制，以釋放因鋼板變形對混凝土蓋板產生的作用力，使混凝土蓋板免遭破壞，為鋼板提供持續穩定的面外支撐。但在混凝土板與鋼板發生相互錯動的同時，鋼板內形成的拉力帶又會對邊柱造成附加彎矩的作用［9-13］，目前國內外尚未對板與柱連接特性進行研究。為減弱這種拉力的作用，筆者從板與柱連接特性出發，分別研究了板與柱開縫、半剛接、剛接這三種連接形式對防屈曲鋼板墻結構承載力的影響。

1 有限元模型

1.1 截面尺寸

試件編號為XXX。W代表防屈曲鋼板墻;KF代表開縫;BG代表半剛接;GJ代表剛接。如WKF為板與柱開縫防曲屈鋼板剪力墻。各個構件的尺寸見表1。

表1 構件截面表

1.2 有限元模型

構件中鋼材均采用帶強化段的三折線本構模型，E=2.06× 105MPa，fy=235 MPa，Yε=0.001 14，強化初應變εst=0.02，強化切線模量Et=0．03E。混凝土強度等級為C30。梁、柱和混凝土板采用實體單元(C3D8)，鋼板采用一般殼單元(S4R)，板與梁、梁與柱采用綁定約束，分析中用“面面接觸”單元來模擬內嵌鋼板與兩側混凝土蓋板之間的相互作用，混凝土板采用約束自由度的方法，約束Z方向的自由度，來約束鋼板的面外曲屈。半剛性連接通過定義角鋼與鋼板之間的摩擦系數來實現鋼板與框架連接的半剛性。切向屬性定義為“罰”摩擦系數為0.5。加載方式采用位移加載制度，以5 mm為級差每級循環一次加載至60 mm。

2 結果分析

2.1 荷載—位移曲線

試件的荷載—位移曲線如圖1所示。由圖1可知，在單向加載中，當柱子剛度系數β=22.17時，BGW的屈服荷載比KFW的屈服荷載提高約10%，極限承載力提高10%;BGW與GJW屈服荷載基本相同，進入塑性后，BGW比GJW承載力略高約3%。

圖1 荷載—位移曲線

當柱子剛度系數β=35.11時，BGW的屈服荷載比KFW的屈服荷載提高約10%，極限承載力提高15%;BGW與GJW屈服荷載基本相同，進入塑性后，BGW比GJW承載力略高約2%。

當柱子剛度系數β=50.88時，BGW的屈服荷載比KFW的屈服荷載提高約10%，極限承載力提高10%左右;BGW與GJW屈服荷載基本相同，進入塑性后，GJW比BGW承載力略高約2%。

2.2 應力分布

1/50側移角下結構的應力發展如圖2所示。由圖2a)，圖2b)可知，在側移量為60 mm時，由于角鋼對鋼板的側向約束作用，鋼板的壓屈并沒有板與柱開縫壓屈的明顯，在加載的后期板內仍存在對拉條帶。由圖2c)可知，由于邊柱與鋼板剛接，板內形成的拉力帶對邊柱有拉力的作用，邊柱的應力明顯偏大。

2.3 承載力對比

循環荷載作用下試件的骨架曲線見圖3，承載力對比見表2。由表2可知，當剛度系數β=22.17時，半剛接、剛接的屈服荷載比開縫分別提高了10.9%，11.2%;極限荷載分別提高了12.0%，8.9%，半剛接板的極限承載比剛接板提高了約2.8%。當剛度系數β=35.11時，半剛性、剛接的屈服荷載比開縫分別提高11.3%，11.5%;半剛接板的極限承載比剛接板提高了約2%。當剛度系數β=50.88時，半剛接、剛接的屈服荷載比開縫連接分別提高9.1%，9.5%;極限承載力分別提高了10.2%，13.1%。剛接比半剛接的極限荷載提高約3%。

圖2 Max.principal應力分布

圖3 骨架曲線

表2 承載力對比

研究表明:在彈性階段，半剛接、剛性連接的結構承載力比較接近，曲線幾乎重合;在柱剛度系數為20.17，35.11時，由于柱子剛度較弱，板與柱剛接，板內形成的拉力帶對邊柱造成附加彎矩作用，導致柱子過早發生壓屈破壞。板與柱開縫，板內形成的拉力桿數大量減少，因此開縫鋼板墻的側向承載力要小于板與柱剛接、半剛接防曲屈鋼板墻;板與柱半剛接，梁柱形成的拉力桿會減弱對柱子的拉力作用，柱子的壓屈破壞相應的減弱，隨著位移增加，當邊柱達到壓屈破壞時，反而提高了結構的承載力。當柱子剛度系數為50.88時，柱子剛度足夠大，可以提供板內所形成的拉力桿所形成的拉力，在側移量為60 mm時柱子未發生壓屈破壞，在側移量一定的情況下，剛接板的極限承載力要大于半剛接板。

3 結語

通過對板與柱在不同連接形式下防曲屈鋼板墻的數值分析，得到以下結論:

1)當邊柱剛度系數為22.17時，半剛接、剛接比開縫防曲屈鋼板墻的極限承載力分別提高了12%，8.9%;當邊柱剛度系數為35.11時，半剛接、剛接比開縫防曲屈鋼板墻的極限承載力分別提高了14.6%，12.3%;當邊柱的剛度系數為50.88時，剛接比半剛接防曲屈鋼板墻極限承載力提高了約3%。

2)板與柱開縫避免板內形成的拉力帶對柱子造成的拉力作用，但板內形成的拉力帶將隨之減少，拉力桿與x軸的傾角隨之增大，鋼板墻的承載力大大降低。

3)板與柱采用半剛性連接可以減弱板內形成的拉力帶對邊柱造成的附加彎矩作用，避免了邊柱過早的發生壓屈破壞。

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Numerical analysis of buckling-restrained steel plate wall structure based on the connection between plate and column★

Du W enxue Zhu W enbo Qiang M engying

(School of Civil Engineering，Heilongjiang University of Science Technology，Harbin 150022，China)

On the basis of research the new structure system of buckling-restrained steel plate wall，structure displacement load curve and skeleton curve are analyzed with numericalmethod when the types of slab-column connections are different(open joint，semi-rigid joint，rigid joint). The influence that stiffness coefficient of different side columns on three kinds of buckling-restrained steel plate walls are compared.Results show thatwhen side column stiffness coefficient is50.88，the ultimate structural bearing capacity of rigid joint of is only 3%higher than that of semirigid joint;while side column stiffness coefficient is 22.17 and 35.11，the ultimate structural bearing capacity of semi-rigid joint is higher.

steel plate shear wall，buckling-restrained steel plate wall，numerical simulation

TU311.41

A

1009-6825(2015)29-0028-03

2015-08-10 ★:國家自然基金項目(項目編號:51478168)

杜文學(1977-)，男，副教授; 朱文波(1990-)，男，在讀碩士; 強夢穎(1991-)，女，在讀碩士