鋼板剪力墻結構內填鋼板設計

王芳凝 王樹和

(北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

0 引言

鋼板剪力墻結構是20 世紀70年代發展起來的一種新型抗側力結構體系。鋼板剪力墻單元由內嵌鋼板和豎向邊緣構件、水平邊緣構件構成。當鋼板沿著結構某跨自上而下連續布置的時候，即可以形成鋼板剪力墻體系。鋼板剪力墻整體的受力特性與底端固接的豎向懸臂組合梁相類似，都是豎向邊緣構件，相當于翼緣，內嵌鋼板相當于腹板，而水平邊緣構件則近似等效為橫向加勁肋。

過去30年來，在以鋼板剪力墻作為主要水平抗側力體系的試驗研究和數值分析中，發現其具有良好的特性，包括較大的彈性初始剛度、大變形能力和良好的塑性性能、穩定的滯回性能等。鋼板剪力墻已成為一種非常具有發展前景的高層抗側力體系，其結構適用于高烈度地震區。

目前，鋼板剪力墻結構內力計算主流方法都是以能力設計為基礎，并基于假定:在水平荷載的作用下，所有樓層鋼板都完全屈服。

而這個假定與實際結構受力情況并不能很好吻合，由于鋼板的制造規格與焊接工藝的限制，或是出于安全考慮，很多情況下，結構實際選擇的鋼板會比計算所需的鋼板更厚，這就導致了鋼板很可能并不會完全屈服。

考慮到上述現象，加拿大規范CSA16 提出了非直接能力設計方法，來優化梁柱的截面設計。

本文考慮了框架的側向承載力，提出了一個新的參數:整體屈曲調整系數，該參數可在結構初步設計基礎上，用非直接能力設計法，通過調整能力設計放大系數來調整各層鋼板屈服程度，使結構整體屈服程度更加均勻，以適應鋼板剪力墻結構主流計算方法。

1 內填板設計方法推導過程

非直接能力設計法用來計算結構中的框架柱軸力。CAN/CSA S16-01［1］指出，鋼板剪力墻結構的框架柱中的軸力由重力荷載與地震作用乘以能力設計放大系數B 這兩部分組成，其中:

式中:Vre——基底剪力承載力;

Vu——設計基底剪力。

基底剪力承載力計算方法如下:

式中:fy——鋼材屈服強度;

tw——鋼板厚度;

L——框架柱中心線之間的距離;

α——板內拉力帶與框架柱之間的夾角。

其中，α 由下式確定:

鑒于非直接能力設計法中，能力設計放大系數越大，表明該層的抗側能力越強，越不易發生屈服。由于一個結構中，各層的抗側能力不同且各層鋼板不同時完全屈服，因此，須在以上初步設計的基礎上，調整參數，使每層的抗側能力趨于相同，從而更好的保障結構設計計算的準確性，同時能夠兼顧經濟性。

由此，本文提出了一個新的參數:整體屈曲調整系數，其含義如下:

其中，Bi為各層的能力設計放大系數。

對于Bdesign，i的取值，在抗震要求比較低時，可取各層能力設計放大系數的最小值。在抗震要求較高時，可適度加大其取值，如下式:

欲使δ=1，則B=Bdesign，i，可知，各層內填鋼板設計側向力不變，因此調整內填鋼板抗剪承載力即可，又由式(1)、式(2)可知，調整內填鋼板板厚即可調整內填鋼板抗剪承載力，調整后內填鋼板板厚由下式確定:

修正后的內填鋼板板厚能夠使結構各層受力更加均勻，更好的保證各層內填鋼板同時完全屈服，從而使結構設計結果更符合實際，同時兼顧經濟性。

2 內填板不同設計方法對比分析

本文為一棟8 度設防區Ⅱ類場地的4 層鋼板剪力墻結構設計了兩套結構方案，方案A 按上一節提出方法折減板厚，方案B各層板厚相同。具體設計內容如圖1，圖2，表1～表5 所示。

表1 荷載值

圖1 平面布置圖

圖2 鋼板剪力墻立面圖

表2 地震荷載標準值 kN

表3 方案A，B 柱截面初步設計

表4 方案A，B 梁截面初步設計

表5 初步設計最終結果

根據上述設計內容，用ABAQUS 進行模擬，得出結果見圖3，圖4。

圖3 方案A 內填板有限元結果

圖4 方案B 內填板有限元結果

對比圖3，圖4 可以發現，方案A 的位移與應變比方案B 更加均勻，可知方案A 具有一定的優越性。

3 結語

本文基于前人在鋼板剪力墻結構方面的研究成果，以非直接能力設計方法為基礎，對鋼板剪力墻結構的內填板設計進行了一些改進。

以往的設計方法中假設各層鋼板完全屈服。然而此假定在實際結構中往往出現偏差，使結構計算的準確性降低。為了使結構計算更加符合實際，各層鋼板受力均衡，本文以非直接能力設計法為基礎，提出了一個新的參數:整體屈曲調整系數，在此參數的基礎上，調整鋼板剪力墻結構的內填板厚度，從而使各層的能力設計放大系數趨于定值，修正后的各層內填板厚度更容易達到各層內填板受側向力同時完全屈服，因此更加地符合設計的要求。

［1］CAN/CSA S16-01 Limit states design in structural steel［S］.Canada:Canadian Institute of Steel Construction，2001.

［2］高層民用建筑鋼結構技術規程(征求意見稿2010)［S］.

［3］JGJ 99—98，高層民用建筑鋼結構技術規程［S］.

［4］陳國棟.鋼板剪力墻結構性能研究［D］.北京:清華大學，2002.

［5］蘇幼坡，劉英利，王紹杰.薄鋼板剪力墻抗震性能試驗研究［J］.地震工程與工程振動，2002，22(4):81-84.

［6］栗獻增.薄鋼板剪力墻抗震性能分析研究［D］.唐山:河北理工學院，2004.

［7］王迎春，郝際平，李 峰，等.鋼板剪力墻力學性能研究［J］.西安建筑科技大學學報(自然科學版)，2007，39(2):181-186.

［8］蔡克銓，林盈成，林志翰.鋼板剪力墻抗震行為與設計［J］.建筑鋼結構進展，2007，9(5):19-25.

［9］AISC Committee.ANSI/AISC 341-10.Seismic provisions for structural steel buildings［S］.America:American Institute of Steel Construction，2010.