鋼框架防屈曲鋼板剪力墻研究現(xiàn)狀分析*

劉 偉 王世杰

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

早在20世紀(jì)30年代，Wagner［1］就發(fā)現(xiàn)薄壁鋁板具有較大的剪切屈曲后強(qiáng)度，并建立了所謂的拉力帶理論，但直到1983年，利用薄鋼板屈曲后性能才被加拿大學(xué)者Thorburn［2］提出．研究表明，與邊緣構(gòu)件可靠連接的薄鋼板墻，屈曲后強(qiáng)度可達(dá)數(shù)十倍屈曲荷載．所以，將薄鋼板嵌入框架，利用薄鋼板屈曲后性能來(lái)抵抗水平荷載(風(fēng)或地震作用)成為后來(lái)的研究熱點(diǎn)．

鋼板剪力墻是20世紀(jì)70年代由日本學(xué)者提出的一種新型抗側(cè)力構(gòu)件，并很快被證明是優(yōu)秀的抗震耗能構(gòu)件，特別適合于高烈度地區(qū)．鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的早期研究以彈性屈曲臨界力為其極限承載力，為了發(fā)揮材料強(qiáng)度往往使臨界應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度，這樣設(shè)計(jì)的結(jié)果是鋼板較厚，用鋼量大，經(jīng)濟(jì)性較差．之后發(fā)展起來(lái)的加勁鋼板剪力墻加勁肋與鋼板焊接連接會(huì)產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，對(duì)板件不利，而且焊接引起的薄板變形及熱影響區(qū)使材質(zhì)變脆，在反復(fù)荷載作用下可能導(dǎo)致鋼板提前斷裂．加勁肋在約束墻板的同時(shí)參與抵抗一部分水平力，易出現(xiàn)加勁肋屈曲先于整體破壞的情況，不能持續(xù)起到抑制鋼板屈曲的功能．針對(duì)非加勁薄鋼板墻存在使用及受力上的缺點(diǎn)，主要包括屈曲噪聲、易振動(dòng)、滯回曲線捏縮及拉力場(chǎng)給邊框柱造成的附加彎矩等，郭彥林［3］等提出了鋼框架防屈曲鋼板剪力墻體系．較之加勁鋼板和非加勁薄鋼板，該新型結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)的耗能能力，更高的初始抗側(cè)剛度，可有效克服滯回曲線的捏縮現(xiàn)象，避免鋼板噪音及震顫，同時(shí)也兼具施工方便等優(yōu)點(diǎn)．

1 目前研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

1．1 研究現(xiàn)狀

鋼框架防屈曲鋼板剪力墻根據(jù)螺栓孔徑分為兩種:Ⅰ型防屈曲鋼板墻兩側(cè)混凝土蓋板預(yù)留的連接螺栓孔與螺栓的孔徑相當(dāng)，即使在較大的水平荷載下，三塊板始終共同變形，內(nèi)嵌鋼板與混凝土蓋板不發(fā)生相對(duì)滑移;Ⅱ型防屈曲鋼板墻兩側(cè)混凝土蓋板預(yù)留的連接螺栓孔大于螺栓的孔徑，在較大的水平荷載下，允許混凝土蓋板與鋼板發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)．

目前針對(duì)該體系的研究主要圍繞防屈曲鋼板的力學(xué)性能進(jìn)行．郭彥林［3］等通過(guò)建立有限元模型對(duì)防屈曲鋼板剪力墻在水平荷載作用下的初始剛度、抗剪極限承載力，以及在低周往復(fù)荷載下的滯回性能進(jìn)行了研究，提出了防屈曲鋼板墻抗剪極限承載力及初始剛度的計(jì)算公式．在研究中，建立單層單跨的有限元模型，框架梁、柱采用鉸接連接，并假定框架梁、柱的抗彎剛度無(wú)限大，同時(shí)忽略梁、柱的軸向變形．該模型忽略了框架柱的抗側(cè)作用，認(rèn)為側(cè)向力全部由防屈曲鋼板剪力墻承擔(dān)，重點(diǎn)分析鋼板的抗剪性能．

對(duì)該模型的研究表明，對(duì)于寬厚比(鋼板短邊與其厚度的比值)較小的板(即厚板，剪切屈曲不先于屈服發(fā)生;以Q235為例，λ≤100為厚板)，在彈性階段，普通鋼板剪力墻和防屈曲鋼板剪力墻的荷載—位移曲線重合，并有相近的極值點(diǎn);屈服階段，普通鋼板剪力墻曲線存在下降段，而防屈曲板兩側(cè)的蓋板限制了鋼板的面外變形，抑制了承載力的降低．對(duì)于寬厚比較大的板(即薄板，在鋼材彈性范圍即發(fā)生屈曲，對(duì)Q235，λ≥150)，防屈曲板能較大程度上提高鋼板的極限承載力和初始抗側(cè)剛度;并且隨著寬厚比的增大，混凝土蓋板的作用越顯著．結(jié)果如圖1所示．

圖1 防屈曲與普通鋼板墻剪應(yīng)力比與位移的關(guān)系曲線

對(duì)兩種防屈曲鋼板剪力墻(Ⅰ型、Ⅱ型)低周往復(fù)水平荷載分析得出，防屈曲墻板也會(huì)出現(xiàn)輕微的“捏縮”現(xiàn)象，但與相應(yīng)的普通鋼板剪力墻相比可忽略不計(jì);其滯回環(huán)更加飽滿(見圖2)，表現(xiàn)出更好的延性和耗能性能．

郭彥林［4］等采用有限元方法，對(duì)不同寬厚比情況下的防屈曲鋼板剪力墻在水平荷載下的彈性性能、蓋板所需最小厚度及螺栓排布方式及對(duì)鋼板屈曲性能的影響進(jìn)行分析，得出了在理想情況下的I型和II型不同寬厚比的鋼板墻的最小蓋板厚度，并分析了螺栓的最大間距．

圖2 防屈曲鋼板墻(Ⅱ型)與普通鋼板墻滯回曲線(λ=300)

圖3 防屈曲鋼板墻(I型)與蓋板厚度關(guān)系曲線

鋼筋混凝土蓋板對(duì)鋼板面外變形的約束作用是影響防屈曲鋼板剪力墻力學(xué)性能的重要指標(biāo)，當(dāng)蓋板剛度滿足要求時(shí)，鋼板屈服會(huì)先于屈曲發(fā)生．文獻(xiàn)［4］定義了約束剛度比:

式中，τcr為臨界屈曲剪應(yīng)力;τy為剪切屈服強(qiáng)度．

由圖3可見，對(duì)Ⅰ型板，當(dāng)單側(cè)蓋板厚度達(dá)30mm時(shí)，鋼板的屈曲應(yīng)力開始超過(guò)其屈服應(yīng)力，可知30mm為蓋板的臨界厚度．

對(duì)Ⅱ型板，采用文獻(xiàn)［5］所述方程:

由式(2)，(3)可得:

由于鋼板柱面剛度較小，式(4)可簡(jiǎn)化為:

將式(5)代入式(1)得:

由(6)即可得出蓋板的最小剛度．薄板的柱面剛度為:

結(jié)合式(6)，(7)可得出蓋板的最小厚度．

為了分析螺栓的合理排布方式，將相鄰四個(gè)螺栓之間的鋼板簡(jiǎn)化為四邊簡(jiǎn)支模型，在純剪作用下，四邊簡(jiǎn)支板的彈性屈曲應(yīng)力可由參考文獻(xiàn)［6］得:

式中，k為彈性屈曲系數(shù)，可近似取為9．34;χ為嵌固系數(shù)，取1．0;ν為泊松比，可取為0．3;db為螺栓間距．令彈性屈曲應(yīng)力大于或等于抗剪屈服強(qiáng)度，即可獲得鋼板不發(fā)生局部屈曲時(shí)的螺栓排列間距．

現(xiàn)以國(guó)產(chǎn)Q235鋼板為例，取彈性模量為2．06×106MPa，鋼板抗剪屈服強(qiáng)度取125MPa，根據(jù)式(8)有:

由(9)式即可得出:db/tw≤118

由文獻(xiàn)［7］知，對(duì)于λ＞150的鋼板，屈曲通常發(fā)生在彈性階段，只要連接螺栓間距與鋼板厚度之比不大于118，就可防止內(nèi)嵌鋼板發(fā)生局部屈曲．

于金光［8］等對(duì)一榀1∶3比例單跨雙層的半剛性鋼框架防屈曲鋼板剪力墻進(jìn)行低周往復(fù)荷載試驗(yàn)研究，研究節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與防屈曲鋼板墻體的相互影響效果，并獲得承載力、剛度、耗能和節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力等指標(biāo)．試驗(yàn)結(jié)果表明:該種結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的耗能能力，節(jié)點(diǎn)剛度退化小，防屈曲構(gòu)件的設(shè)置可提高墻體的承載力及剛度，有效克服滯回曲線的捏縮現(xiàn)象．

1．2 存在的問(wèn)題

目前對(duì)該體系的研究主要針對(duì)鋼板的力學(xué)性能，而忽略了板對(duì)邊柱的不利作用．同時(shí)不同節(jié)點(diǎn)形式下框架和鋼板的相互影響研究較少．雖然有文獻(xiàn)給出了不同情況下混凝土蓋板最小厚度的確定方法及極限承載力計(jì)算公式，但均是在理想條件下得出的結(jié)論，與實(shí)際情況存在一定差距，且尚無(wú)充分的試驗(yàn)驗(yàn)證．

2 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)鋼框架防屈曲鋼板剪力墻的研究現(xiàn)狀及存在的不足，本文給出如下建議:

(1)當(dāng)分析梁柱剛接、半剛性連接情況下，可考慮邊柱和梁的彎曲變形時(shí)蓋板最小厚度的確定方法;(2)可對(duì)保障防屈曲鋼板發(fā)揮作用的構(gòu)造措施進(jìn)行研究;

(3)對(duì)不同節(jié)點(diǎn)形式下，框架和鋼板墻之間的相互作用還需進(jìn)一步研究．

［1］Wagner H．Flat sheet metal girder with very thin metal web:Part 1:General theories and assum ptions［M］．Technical Memorandum No．604．Washington:National Advisory Committee for Aeronautics，1931:524-558．

［2］Thorburn LJ，Kulak GL，Montgomery CJ．Analysis of steel plate shear walls［R］．No．107．Edmonton:Deparmtent of Civil Engineering，University of Alberta，1983．

［3］郭彥林，周 明，董全利．防屈曲鋼板剪力墻彈塑性抗剪極限承載力與滯回性能研究［J］．工程力學(xué)，2009，26(2):108-114．

［4］郭彥林，董全利，周 明．防屈曲鋼板剪力墻彈性性能及混凝土蓋板約束剛度研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009，30(1):40-47．

［5］Astaneh-AslA．Seismic behavior and design of composite steel plate shear walls［R］．Steel TIPSReport Berkeley:Department of Civil and Enviromental Engineering，Univertity of California，2002．

［6］陳 驥．鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)［M］．北京:科學(xué)出版社，2011:443．

［7］AISC．Seismic provisions for structural steel buildings［S］．Chicago:American Institute of Steel Construction，2002．

［8］于金光，郝際平，崔陽(yáng)陽(yáng)，寧子健，劉 春．半剛性框架防屈曲鋼板墻結(jié)構(gòu)的抗震性能試驗(yàn)研究［J］．土木工程學(xué)，2014，47(6):18-25．