鋼框架內填鋼板剪力墻抗側力體系性能研究

摘 要：本文研究了內填鋼板支撐剪力墻結構的特點及性能，對體系進行建模并實施對其線彈性有限元分析，得出由于外包混凝土對內填鋼板支撐的約束作用，可以大大提高其穩定性及剛度。同時通過對結構模型一些幾何參數的變化研究其對結構工作性能的影響，得出關于內填鋼板支撐剪力墻的屈曲性能、剛度提高狀況和工作穩定性等的相關結論。

關鍵詞：鋼框架；抗側力體系；屈曲性能；有限元分析；試驗模擬

近幾年，鋼結構建筑相比于磚混結構建筑在環保、節能、高效、工廠化生產等方面具有明顯優勢而廣泛應用于建筑中。然而在福建的應用很少。目前也沒有出臺有關高層建筑剪力墻混合結構的抗震設計規程或規范，對其抗震性能研究也尚不夠充分與完善，存在的主要抗震性能問題沒能很好地解決。本課題研究的是對內填鋼板剪力墻的穩定性能以及抗震性能研究分析。目前國內關于此類結構的研究處于初始階段，其相關文獻非常之少。為了確保這類結構的抗震安全性、減輕地震災害，對這種結構的抗震性能和設計方法開展系統和深入的研究已是工程的迫切需要。

1 理論分析

（1）通過分別對內填鋼板剪力墻以及鋼框架。內填鋼板支撐剪力墻的建模，研究分析得出內填鋼板剪力墻的屈曲模態及屈曲荷載，以及內填鋼板支撐剪力墻的包括自振頻率、結構振型等的動力特征和結構的抗震性能。課題著重對模擬實際建筑結構的鋼框架內填鋼板支撐剪力墻體系進行小震作用下的線彈性反應分析和罕遇地震作用下的彈塑性時程分析，并對該結構體系與其他抗側力結構體系進行計算分析對比，從而得出該結構體系的工作性能的優異點。

（2）通過進行有限元動力分析，比較分析得到其在動力特性（周期、振型等方面）的變化，總結結構在動力性能方面的變化；并通過進一步調整影響其工作機能的相關參數研究內填鋼板支撐剪力墻鋼框架結構在小震、大震等不同工作狀況下的抗震機能。

2 試驗方法和步驟

（1）屈曲性能分析：

結構線性臨界荷載值，然后以第一階屈曲模態為依據對結構施加初始缺陷。先定義約束系數λ，對一字形截面鋼板進行支持試驗。λ為2%記錄構件軸向荷載與軸向應變全過程曲線，并得到對應于2%軸向應變的最大抗壓承載力P。對不同約束系數λ=0.54、λ=1.09、λ=2.1、λ=2.96分別記錄抗屈曲支撐的荷載力比值）應變全過程曲線進行對比，所得最大荷載水平即為所求整體屈曲臨界荷載。

（2）結構抗震性能模型分析：

采用SAP2000進行建模，將結構模擬成無限剛度，不考慮材料非線性和幾何線性和不考慮圍護構件對主體結構的影響。結構模擬計算有結構形式及構造特點、分析精度要求和計算容量來確定。材料阻尼選8%，結構質量有結構方案和材料特征有程序自動計算。樓面荷載為2kN/m2計算。通過模態分析，得到框架各階頻率模型。分析不同頻率下產生的應力、變形和位移，再利用結構振動模態分析結構動力特征。得到各樓層的最大位移對結構從強到及變形兩方面進行安全性檢驗。

（3）塑性抗震性能分析：

用動力分析作為各種簡化計算方法的比較標準。按照地震波數據輸入地面運動，通過積分運算，求得在地面加速度隨時間變化期間內，結構的內力和變形隨時間變化的全過程，相比彈性分析中的振型分解反應譜法和POA方法。對于質量與剛度明顯不對稱、不均勻的結構，應考慮雙向水平振動和樓面扭轉的影響：此時，樓面除有質量mi，（mi，為結構第i層的等效質量）外，還有轉動慣量Ij對振動產生影響，這相當于協同工作計算法考慮了樓面轉動時的情況。

（4）利用PKPM結構分析軟件，在PMCAD中結合實際工程的建筑圖紙建立模型。

SATWE模塊會自動提取PMCAD所需要的數據，結合當地的地質情況進行抗震分析。結合動力學理論，研究對比各個結構的層間位移、平均位移、層間位移角，從而具體分析每種抗側力體系的實際抗側力性能，可能影響性能的一些外在因素。

3 技術關鍵及其解決辦法

該項目的研究成果是否具有可指導性，關鍵在于特征值屈曲分析方法考察鋼板及剪力墻各個參數對結構構件工作性能的影響計算的準確性。本項目主要采用SAP2000有限元軟件進行分析，由于其對剪力墻的非線性分析和塑性鉸的指定沒有其他有限元軟件更有效，所以在線彈性下的工作性能和鋼框架梁柱鋼板支撐的塑性狀態變化，對于剪力墻在出現塑性狀態逐漸破壞之后對鋼板支撐的影響的變化需要嚴謹處理進一步的研究。

4 總結

通過建模模擬試驗研究分從理論方面對抗側力體系的受力性能進行分析，進一步獲知內填鋼板支撐剪力墻結構體系在多遇地震作用下的抗震性能及工作機理。試驗結果揭示了鋼板墻的極限承載力、延性和滯回性能的變化規律，為鋼板剪力墻規范以屈曲后強度為設計準則提供了理論和試驗依據。直接影響鋼框架結構在多高層應用的廣泛性和服務年限。研究以福建實際地質情況為依托，研究結果具有一定的科研價值和實踐指導意義，將為今后的理論研究及地質地震情況提供理論依據，使得鋼框架結構水平抗側力的剛度和穩定性進一步得到保證。

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作者簡介

莊燕如（1987-），女，漢族，福建省泉州市，本科，助教，研究方向：建筑電氣工程。endprint