帶縱凸筋板鋼管柱和鋼板剪力墻力學性能分析

於立雄

(中鐵房地產集團北方有限公司 北京 100166)

1 概述

鋼管柱是最常見的構件之一，方形和圓形以其抗扭性能好、抗彎剛度大、外表美觀[1－3]等優點，被廣泛應用在鋼結構中[4]；而鋼板剪力墻作為一種新型抗側力構件，有較高的側向剛度、較好的延性和耗能能力[5-6]，也被越來越多地應用在高層和超高層建筑中[7-8]。由于厚鋼板重量大，經濟性差，薄鋼板逐漸取代厚鋼板，更多應用在工程中。但是研究表明[9－12]，薄鋼板在達到極限承載力前，容易先發生局部屈曲。為了避免失穩過早發生，常采用構造措施對鋼板進行加強。

縱凸筋鋼板是在鋼板上表面帶有縱向凸筋的異形鋼板，其外觀如圖1所示，是一種新型連軋鋼材品種，合理配置的凸筋可以起到加勁肋的作用，能夠提高鋼板的平面穩定，并無需后續焊接等工作，可以一次成型。在日本的港口、高層建筑的鋼樁、立交橋立柱等有使用內螺旋凸筋管制作鋼管混凝土柱的工程實例，本文針對縱凸筋鋼板這一優點，利用驗證過的有限元模型，探討其在鋼管柱和鋼板剪力墻中應用的可行性，研究不同布置方式和凸筋間距對構件性能的影響，并分析單位用鋼量承載力的變化。

圖1 縱凸筋鋼板及應用

2 有限元模型的建立

2.1 材料本構關系模型

本文假定鋼材符合隨動雙線性本構模型，其彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。

2.2 單元選取與網格劃分

采用結構化的網格劃分方法，對構件進行離散化。網格劃分密度對計算精度非常重要，如果網格過大，計算精度降低；網格過密，將浪費過多的計算機資源。因此，網格劃分時應結合網格試驗來確定合理的網格密度。

2.3 邊界條件及加載方式

由于使用位移法具有很好的收斂性，故采用位移加載來模擬荷載作用，一端施加法向位移約束，通過剛性端板傳遞豎向位移荷載；另一端固接，采用增量迭代法進行非線性方程組的求解。鋼管柱與剪力墻有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

3 有限元模型的驗證

為驗證本文建模方法的準確性，對文獻[13－15]中的部分試件進行了模擬，有限元模擬結果與實驗結果對比見圖3。可以看出，本文模型可以準確地模擬鋼管柱和鋼板剪力墻的極限承載力和變形能力，但是對下降段過程存在一定偏差，這可能與實驗存在的初始偏差、人員操作等因素有關。但總體上，本文采用的模型可以有效模擬實驗荷載－位移曲線，獲得關鍵數據，故使用該模型進行分析較為可靠。

圖3 道岔便梁典型橫斷面(單位:m)

圖3 有限元分析與實驗結果比較

4 參數設置及結果分析

4.1 參數設置

為探究縱凸筋板凸筋間距和凸筋類型(單面/雙面)變化對不同徑厚比/寬厚比圓/方鋼管柱和鋼板剪力墻受力性能的影響，建立有限元模型，對凸筋板在鋼結構中的應用進行可行性分析。假定鋼材型號為Q345B，鋼管壁厚10 mm，考慮現有加工水平，假定凸筋高度為3 mm，凸筋沿豎向布置。

4.1.1 圓鋼管柱

為探究徑厚比和凸筋間距對圓鋼管柱性能的影響，依據?鋼管混凝土結構設計與施工規程 CECS 28—2012?[16]，設計了D/t＝60 和D/t＝120(D/t常用范圍為(20～135)×235/fy＝(13.6～92.0))兩組試件，相應的套箍指標θ分別為0.5和1.7(θ常用范圍為0.5～2.5)。徑厚比一定的條件下，凸筋間距取0 mm(對比試件)、50 mm、150 mm和300 mm，共計8個試件，試件尺寸如表1所示。

表1 圓鋼管柱有限元分析試件

4.1.2 方鋼管柱

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為探究寬厚比和凸筋間距對方鋼管柱性能的影響，依據?矩形鋼管混凝土結構技術規程CECS 159—2004?[17]，設計了b/t＝30和b/t＝70兩組試件(軸壓柱b/t限值為)，混凝土的工作承擔系數αc分別為0.3和0.5(αc常用范圍為0.1～0.7)。徑厚比一定的條件下，凸筋間距取0 mm(對比試件)、50 mm、100 mm、200 mm 和300 mm四組，共計10個試件，試件尺寸如表2所示。

表2 方鋼管柱有限元分析試件

4.1.3 鋼板剪力墻

參考文獻[15]和[18]，設計了單面凸筋和雙面凸筋兩組鋼板剪力墻試件，剪力墻長度L取3 300 mm，剪力墻高度H取3 300 mm，L/H＝1.0。剪力墻壁厚10 mm，高厚比為λ＝330。凸筋高度為3 mm，凸筋沿水平方向布置。鋼板剪力墻與上下兩側的框架梁相連，為兩邊連接鋼板剪力墻。鋼板剪力墻試件凸筋間距取0 mm(對比試件)、50 mm、150 mm和300 mm四組，如表3所示。單面凸筋和雙面凸筋鋼板剪力墻試件各3個，再加上1對照試件，共計7個分析試件。

表3 帶凸筋鋼板剪力墻有限元分析試件

4.2 應力分布

4.2.1 圓鋼管柱

不同徑厚比下，不帶肋和帶肋(凸筋間距50 mm)的圓鋼管柱極限承載力下的應力云圖如圖4所示。

圖4 圓鋼管應力

可以看出，添加縱凸筋可以有效改善鋼管部分的受力，使得鋼管受力更加均勻，鋼管性能得到更充分發揮。

4.2.2 方鋼管柱

不同徑厚比下，不帶肋和帶肋(凸筋間距100 mm)的方鋼管柱在極限承載力下的應力云圖如圖5所示。可以看出，縱凸筋設置對方鋼管柱應力分布影響不大。

圖5 方鋼管柱應力

4.2.3 鋼板剪力墻

不同凸筋類型下的剪力墻一階屈曲模態和極限承載力下的應力云圖見圖6。可以看出，在單面布置時，對屈曲模態影響不大，但應力分布出現了明顯區別，板中部受力減小，更多地出現在角部；在雙面布置時，一階屈曲模態沒有明顯改變，荷載分布也近似。

圖6 鋼板剪力墻試件一階屈曲模態及應力

4.3 荷載位移曲線

4.3.1 圓鋼管柱

不同徑厚比圓鋼管柱的荷載位移曲線如圖7所示。可以看出，隨凸筋間距減小，D/t＝60時，圓鋼管柱的極限承載力提高了6%；當徑厚比較大時，提升效果更為明顯，極限承載力提高了18%。凸筋間距的減小同樣明顯改善了圓鋼管柱的變形能力，提升幅度在30%以上；但是當間距在150 mm以下時，進一步減小凸筋間距，特別是在徑厚比較小時，并不能繼續改善變形能力。

圖7 圓鋼管柱荷載－位移曲線

為了確認承載力提升是由于用鋼量的增加還是縱凸筋的影響，本文計算了圓鋼管柱試件單位用鋼量承載力，并進行歸一化處理(以對比試件單位用鋼量承載力為基準，帶凸筋試件單位用鋼量承載力與對比試件單位用鋼量承載力相除，得到歸一化的單位用鋼量承載力)，結果如表4所示。可以看出，對于帶縱凸筋圓鋼管柱，當徑厚比為60時，隨凸筋間距減小，單位用鋼量承載力逐漸降低；當徑厚比為120時，則呈現出相反的趨勢，凸筋間距減小可以有效提升單位用鋼量承載力。總體變化區間在－1.4%～9.5%之間。

表4 圓鋼管柱試件單位用鋼量承載力計算結果

4.3.2 方鋼管柱

不同徑厚比方鋼管柱的荷載位移曲線如圖8所示。可以看出，隨凸筋間距的減小，b/t＝30和70時，方鋼管柱的極限承載力分別提高了7%和8%，差別不大。凸筋間距的減小對方鋼管柱的變形能力影響不大。

圖8 方鋼管柱荷載－位移曲線

對方鋼管柱進行歸一化處理，結果如表5所示。可以看到，對于帶縱凸筋方鋼管柱，單位用鋼量承載力變化不大，總體變化區間在－1.3%～0.6%之間，這可能是由于帶縱凸筋板上凸筋高度較小，導致凸筋剛度較弱，不能完全起到加勁肋的作用。

表5 方鋼管柱試件單位用鋼量承載力計算結果

4.3.3 鋼板剪力墻

不同凸筋類型的剪力墻荷載位移曲線如圖9所示，單位用鋼量承載力計算結果如表6所示。可以看到，隨凸筋間距的減小，單面和雙面布置凸筋的剪力墻極限承載力分別提高了7%和12%，但是單位用鋼量承載力逐漸減小。雙面布置凸筋的剪力墻，其變形能力隨凸筋間距減小得到改善，最多增加了15%，但單面布置凸筋的剪力墻變形能力隨凸筋間距減小先增大后減小，這可能是由于凸筋改善了其變形能力，但是隨著間距減小，不對稱性增強，抵消了這種增益。

圖9 剪力墻荷載－位移曲線

表6 剪力墻試件單位用鋼量承載力計算結果

5 結論

為了論證帶縱凸筋鋼板在建筑中應用的可行性，進行了帶縱凸筋建筑結構構件受力性能有限元分析。在驗證有限元模型的基礎上，進行帶縱凸筋鋼板在圓鋼管柱、方鋼管柱和剪力墻3種構件、25個試件中應用的有限元分析。重點考察了縱凸筋板凸筋間距和類型(單/雙面)的變化對不同徑(寬)厚比的圓(方)鋼管柱和剪力墻受力性能的影響，得到以下結論:

(1)帶縱凸筋鋼板可有效改善圓鋼管柱的應力分布，提高變形能力，提升幅度在30%以上，但是對方鋼管柱和剪力墻的應力分布和變形能力影響不大。

(2)使用帶縱凸筋鋼板雖然可以提高試件的承載能力，但這主要是由于用鋼量提升所導致，其單位用鋼量承載力變化不大，總體變化區間在－1.9%～9.5%，這可能是由于凸筋板起筋高度較小，不能完全起到加勁肋作用所導致。大徑厚比的圓鋼管柱雖然單位用鋼量承載力隨凸筋間距減小有明顯的提升，但仍小于配筋帶來的影響。

(3)為提高縱凸筋板在建筑鋼結構中應用效果，建議進一步進行縱凸筋板軋制技術研究，分析起筋高度大于0.3倍基板厚度、凸筋間距小于50 mm的縱凸筋板的軋制可行性。