全加勁肋鋼板的性能研究

王 書 文

(中鐵二院華東勘察設計有限責任公司，浙江 杭州 310004)

1 概述

在高層及多層鋼框架建筑結構中，鋼板剪力墻是一種有效的抗側力構件[1-5]。鋼板剪力墻與鋼框架結構相結合，不僅在地震作用的初期階段具有較高的抗剪能力，更重要的是在地震作用的后期階段具有較高的延性表現了這種抗側力構件良好的抗震性能。在現有DG/T 08—32—2015高層建筑鋼結構設計規程中(以下簡稱《高規》)[6]，鋼板剪力墻可以作為抗側力構件使用。目前存在厚板和薄板兩種鋼板剪力墻形式，對于厚板剪力墻而言，盡管大大地提高了鋼板剪力墻的抗震性能，但其用鋼量較大，經濟效益大大降低，從某種程度阻礙了鋼板剪力墻的推廣和應用。而薄鋼板剪力墻結構，由于其自身輕薄，必然會導致局部屈曲荷載較低，從而降低了鋼板剪力墻的初始剛度和屈曲后延性性能。為了克服這一缺點，工程上常常采用帶加勁肋的鋼板剪力墻結構，不僅可以克服上述問題，而且可以提高其局部屈曲荷載，且具有較高的屈曲后強度和承載潛力，同時也有較好的延性性能。國內外學者對加筋肋鋼板進行了研究，但在全加勁肋的承載力研究方面還有明顯不足。

湯序霖等[7]對加勁肋的設置方式進行了對比試驗研究，作者對比了僅設置縱向加勁肋、橫向加勁肋和雙向加勁肋三種情況，結果表明：僅設置單向加勁肋對鋼板的承載力提高不明顯，而設置雙向加勁肋可明顯提高鋼板的承載力。王浩[8]對剪力墻的設計進行了進一步研究。王先鐵等[9]對洞口加勁肋進行了研究，他研究了加勁肋剛度、強度對開洞鋼板剪力墻性能的影響，結果表明：增大加勁肋剛度，可提高開洞鋼板剪力墻的彈性屈曲應力，高寬比對開洞鋼板剪力墻屈曲應力的提高較為顯著，而寬厚比對開洞鋼板剪力墻屈曲應力影響較小。姜寶龍[10]對帶T形加勁肋雙鋼板組合剪力墻進行了研究，通過對剪力墻的軸壓比和剪跨比進行試驗和有限元分析，結果表明：軸壓比對剪力墻的承載力影響不大，剪跨比的增大會使剪力墻加載剛度和水平峰值荷載大幅減小。郝婷玥等[11]研究了豎向鋼板加勁肋對內置鋼板—混凝土組合剪力墻軸壓性能通過設置2組對比實驗，結果表明：豎向加筋肋對剪力墻的軸壓承載力提升較大。童根樹等[12]對鋼板剪力墻單側加勁肋的有效剛度展開研究，通過采用隔離體方法，并使得墻板與加筋肋在連接處滿足變形連續，最終得出單側加筋肋的有效寬度公式。綜上，雖學者們對T型加筋肋，十字加筋肋的屈曲性能及臨界應力狀態有一定研究，但對全加筋肋極限承載力研究不足。

基于此，本文采用ABAQUS有限元軟件建立了三組不同高寬比的全加勁肋鋼板模型，采用ABAQUS有限元軟件，對全加勁肋鋼板結構極限承載力和滯回性能進行了系統分析，通過改變全加勁肋鋼板結構的高寬比，得到全加勁肋鋼板剪力墻結構的局部屈曲性能和整體穩定性能變化趨勢，最終提出高跨比與結構承載力性能的概念關系，為鋼板剪力墻的設計和應用提供概念依據。

2 有限元分析

2.1 模型簡介

全加勁肋鋼板如圖1a)，圖1b)所示，h為板寬，l為板高度。邊界條件根據工程實踐，將其簡化為如圖2所示的模型，即將邊界條件簡化為全加勁肋鋼板底部嵌固，上部水平定向滑動，左右為自由邊界(見圖1c))。受力條件為：在全加勁肋鋼板上端鋼板平面內僅受單向水平靜力作用，全加勁鋼板受力如圖1d)所示。全加勁鋼板由兩側加勁肋和十字加勁肋組合而成。沿鋼板左右自由邊、鋼板中線分別焊接雙面布置的加勁肋。

2.2 分析工況

為研究全加勁肋鋼板的極限承載力及位移性能，本文共分三組模型展開分析。模型特征為H型柱邊框內填十字加勁肋鋼板，試件設計參數如表1所示(單位為mm)。板與板上加勁肋厚均為12 mm，且考慮柱翼緣和腹板局部屈曲的影響。內填鋼板通過連接板與框架四邊均焊接連接，鋼材為Q235B，角焊縫按現行規范要求進行設計。具體尺寸如表1所示。

表1 計算模型分析工況(一)

2.3 邊界條件

如前文2.1所述，對模型采用如下假定：梁柱節點為理想剛接。考慮到實際結構中樓板對框架面外位移的約束作用，約束梁上翼緣的面外自由度，以防止結構面外失穩。三個模型均為底部嵌固，上部滑動，左右自由邊界。

2.4 受力條件

為分析各模型在寬度或高寬比不同的條件下承載力的區別，采用1 350×2 700×12 mm，1 500×2 700×12 mm，1 800×2 700×12三種模型,分析其分別在相同邊界的條件下的三種模型的臨界荷載，在三個模型全加勁肋鋼板上端及鋼板平面僅受單向水平靜力作用。依據JGJ 101—1996建筑抗震試驗方法規程的規定，擬靜力試驗的加載程序采用荷載與位移雙控制的方法。在試件屈服(以荷載—位移曲線出現明顯轉折作為屈服標志)前，采用荷載控制加載;接近屈服前宜減小荷載級差；試件屈服后則由位移控制加載，以試件屈服時最大位移值的整倍數為加載級差對試驗加載進行控制。具體加載方案見表2。

表2 計算模型分析工況(二)

2.5 建立模型

采用有限元軟件ABAQUS進行建模，對模型進行單因素加載分析，以找出臨界位移與荷載間的關系。鋼材均采用Q235鋼材，本構關系采用理想彈塑性模型，實現建模的過程如下：首先，通過幾何建模方法，用Shell181單元創建模型的各種構件，通過布爾運算形成幾何模型。然后賦予幾何模型材料屬性、單元類型以及截面屬性，劃分網格形成有限元模型；施加相應的邊界約束：在施加水平及豎向荷載處進行節點耦合；對梁中線位移所有節點進行面外約束來模擬防止梁面外失穩；為模擬結構底部固結，對柱和墻板底部所有節點進行固結約束,最后對模型進行屈曲分析。選取失穩荷載和失穩位移作為關鍵性性能指標作為對比。改變長寬比，重新建造模型，再次進行屈曲分析，得出不同長寬比a荷載與位移的變化關系。模型及結果如圖2～圖4所示。

3 結果分析

由圖5可得：隨著加勁肋鋼板的高寬比(1～2.0變化)增加，承載力會逐漸變大，從1 100 kN增大到1 800 kN，大約增大1.64倍，同時得出加勁肋鋼板與普通鋼板在強度上明顯提高,該形式鋼板將有更廣的運用空間。加載位移在0 mm～50 mm區間，荷載位移曲線大致呈線彈性變化，位移增大，荷載隨之大約以正比形式遞增，而當位移變化至50 mm～300 mm區段時，荷載值增大不超過3%，非常接近臨界荷載，原因可能是鋼板位移過大引起失穩造成的。

通過本文研究的三組加勁肋鋼板，分析得到了其相應工況的臨界荷載和臨界位移，如表3所示。由表3可得：高寬比與失穩位移和荷載都呈單調關系。高寬比增大，結構愈趨于不穩定，結果可為實際工程提供一定參考。

表3 計算模型分析工況(三)

4 結語

1)全加勁肋鋼板具有良好的承載力、抗側剛度、延性，是一種抗震性能優越的組合剪力墻。該類型剪力墻可為今后的研究、設計工作提供較好參考。

2)高寬比越大，臨界力越小，失穩時發生的位移越小。高寬比越小，臨界力越大，失穩時發生的位移也越大。

3)由圖1知，當鋼板所受的外力荷載大小到一定值后，沿力的方向上的位移發生大范圍變化時，外力荷載大小數值基本不變，由此可以說明此時鋼板失穩。

4)由表1可知，鋼板橫截面積一定且鋼板一端受橫向剪力荷載作用下時，鋼板越長失穩位移越小。由此說明鋼板在剪力荷載作用下其長度越長越容易發生失穩。