水平荷載作用下鋼框架預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻體裝配式結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法

吳函恒++秦沛遠(yuǎn)++陳軍武++周天華

摘要：為研究水平荷載作用下鋼框架預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻裝配式結(jié)構(gòu)體系（SPW體系）內(nèi)力和位移的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，提出了結(jié)構(gòu)體系的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，根據(jù)彈性理論建立結(jié)構(gòu)體系的平衡微分方程，提出反映結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的參數(shù)λ，結(jié)合邊界條件求解了在均布側(cè)向荷載、倒三角側(cè)向荷載和頂部集中側(cè)向荷載作用下結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力與側(cè)向位移計(jì)算公式，采用有限元法對(duì)簡(jiǎn)化計(jì)算方法的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，并進(jìn)行了誤差分析。研究結(jié)果表明：有限元分析值與簡(jiǎn)化計(jì)算值較為接近，簡(jiǎn)化計(jì)算方法能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算SPW體系在水平荷載作用下的內(nèi)力和位移，可靠性較好。

關(guān)鍵詞：鋼框架；預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻；結(jié)構(gòu)體系；內(nèi)力；位移；水平荷載

中圖分類(lèi)號(hào)：TU398.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

內(nèi)填式抗側(cè)力墻體與鋼框架組成的雙重抗側(cè)力體系能充分結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有抗側(cè)剛度大、延性好、多道抗震設(shè)防的特點(diǎn)[110]。為實(shí)現(xiàn)抗側(cè)力墻體的預(yù)制裝配化，并與鋼框架進(jìn)行同步安裝，在推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)化和現(xiàn)代化的背景下，文獻(xiàn)[11]提出了鋼框架預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻裝配式結(jié)構(gòu)體系（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SPW體系）。

文獻(xiàn)[12]～[14]對(duì)4榀由鋼框架和型鋼混凝土抗側(cè)力墻、鋼筋混凝土抗側(cè)力墻組成的單層單跨足尺SPW體系結(jié)構(gòu)模型開(kāi)展水平低周反復(fù)加載試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：該體系能充分結(jié)合鋼框架與混凝土抗側(cè)力墻體的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)造合理可靠，在抗震設(shè)防區(qū)具有廣泛的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[15]，[16]對(duì)SPW體系的豎向受力性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明：預(yù)制墻體頂部連接板的長(zhǎng)圓孔構(gòu)造形式能有效地降低墻體的軸壓比，使墻體僅承擔(dān)使用階段活荷載所帶來(lái)的豎向力。文獻(xiàn)[17]，[18]對(duì)SPW體系開(kāi)展數(shù)值分析，研究了抗側(cè)力墻板與鋼梁連接界面的受力性能和傳力機(jī)理，明確了各類(lèi)連接件承擔(dān)剪力和彎矩的分布情況以及分配關(guān)系。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文建立SPW體系的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，基于連續(xù)化的方法，建立鋼框架、約束梁和抗側(cè)力墻體協(xié)同工作微分方程，提出反映結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的參數(shù)，求解結(jié)構(gòu)體系在3種典型水平荷載作用下的內(nèi)力、位移計(jì)算方法，并采用有限元法驗(yàn)證了簡(jiǎn)化方法的可靠性，為該體系的理論研究和工程應(yīng)用提供參考。

1 簡(jiǎn)化力學(xué)模型及假定

鋼框架預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻體結(jié)構(gòu)體系是由鋼框架、抗側(cè)力墻體組成的三維空間結(jié)構(gòu)，分析過(guò)程中忽略結(jié)構(gòu)整體的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，將鋼框架部分、抗側(cè)力墻體部分和約束梁部分分別等效為總鋼框架、總抗側(cè)力墻體和總約束梁（圖1），其中總框架部分的一半對(duì)稱(chēng)等效在抗側(cè)力墻體的左右兩側(cè)。

在水平荷載作用下，框架柱與抗側(cè)力墻體的連接梁段呈現(xiàn)反向彎曲變形，即在跨中附近存在反彎點(diǎn)，如圖2所示，分析時(shí)采用如下基本假定：

（1）假定反彎點(diǎn)位于框架柱與抗側(cè)力墻體連接梁段的跨中位置。

（2）框架柱在水平荷載作用下的軸向變形較小，而梁反彎點(diǎn)處的豎向變形主要由框架梁軸向變形引起，因此，分析時(shí)忽略框架柱和反彎點(diǎn)處的豎向變形。

（3）約束梁中間段由于受到上下層墻體的約束作用，假定為剛性。

采用連續(xù)化的方法[19]將模型在反彎點(diǎn)處進(jìn)行切分，切口處存在相關(guān)作用的分布剪力τf，水平分布荷載p由鋼框架和抗側(cè)力墻體共同承擔(dān)，其中總鋼框架承擔(dān)的部分為pf；總抗側(cè)力墻體承擔(dān)的部分為p-pf，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示，其中θ為轉(zhuǎn)角。

參考文獻(xiàn)：

References：

[1] HITAKA T，MATSUI C.Experimental Study on Steel Shear Wall with Slits[J].Journal of Structural Engineering，2003，129（5）：586594.

[2]JU R S，LEE H L，CHEN C C，et al.Experimental Study on Separating Reinforced Concrete Infill Walls from Steel Moment Frames[J].Journal of Constructional Steel Research，2012，71（4）：119128.

[3]彭曉彤，顧 強(qiáng).鋼框架內(nèi)填鋼筋混凝土剪力墻混合結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理及塑性分析[J].工程力學(xué)，2011，28（8）：5661.

PENG Xiaotong，GU Qiang.The Failure Mechanism and Plastic Analysis of Composite Steel Framereinforced Concrete Infill Wall Structures[J].Engineering Mechanics，2011，28（8）：5661.

[4]孫國(guó)華，顧 強(qiáng)，何若全，等.半剛接鋼框架內(nèi)填暗豎縫鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)滯回性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010，31（9）：1626.

SUN Guohua，GU Qiang，HE Ruoquan，et al.Experimental Investigation of Partiallyrestrained Steel Frame with Concealed Vertical Slits RC Infill Walls[J].Journal of Building Structures，2010，31（9）：1626.

[5]趙 偉，童根樹(shù)，楊強(qiáng)躍.鋼框架內(nèi)填預(yù)制帶豎縫鋼筋混凝土剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2012，33（7）：141146.

ZHAO Wei，TONG Genshu，YANG Qiangyue.Experimental Study on Seismic Behavior of Steel Frame with Prefabricated Reinforced Concrete Infill Slit Shear Walls[J].Journal of Building Structures，2012，33（7）：141146.

[6]趙 偉，童根樹(shù)，周觀根，等.鋼框架內(nèi)填預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻試驗(yàn)研究[J].土木建筑與環(huán)境工程，2013，35（1）：6369.

ZHAO Wei，TONG Genshu，ZHOU Guangen，et al.Experimental Investigation of Steel Frame with Infill Prefabricated Reinforceconcrete Shear Walls[J].Journal of Civil，Architectural & Environmental Engineering，2013，35（1）：6369.

[7]陳以一，寧燕琪，蔣 路.框架帶縫鋼板剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2012，33（7）：133139.

CHEN Yiyi，NING Yanqi，JIANG Lu.Experimental Study on Seismic Behavior of Framesteel Plate Shear Wall with Slits [J].Journal of Building Structures，2012，33（7）：133139.

[8]陳以一，蔣 路.帶縫鋼板剪力墻的承載力和開(kāi)縫參數(shù)研究[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，27（3）：109114.

CHEN Yiyi，JIANG Lu.Research on Bearing Capacity and Slit Parameters of Steel Plate Shear Wall with Slits [J].Journal of Architecture and Civil Engineering，2010，27（3）：109114.

[9]蔣 路，陳以一，王偉棟.帶縫鋼板剪力墻彈性抗側(cè)剛度及簡(jiǎn)化模型研究[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，27（3）：115120.

JIANG Lu，CHEN Yiyi，WANG Weidong.Research on Elastic Lateral Stiffness and Simplified Model of Steel Plate Shear Wall with Slits [J].Journal of Architecture and Civil Engineering，2010，27（3）：115120.

[10]耿 帥，陳以一.帶豎縫鋼板剪力墻框架體系抗側(cè)構(gòu)件要素特性配置[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，31（1）：130137.

GENG Shuai，CHEN Yiyi.Configuration of Lateral Forceresistance Component Properties in Steel Plate Shear Wall with Slitsframe Structures [J].Journal of Architecture and Civil Engineering，2014，31（1）：130137.

[11]周天華，吳函恒，白 亮，等.鋼框架預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻裝配式結(jié)構(gòu)體系[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，30（3）：16.

ZHOU Tianhua，WU Hanheng，BAI Liang，et al.Fabricated Structural System of Steel Frameprefabricated Concrete Lateral Resistance Wall[J].Journal of Architecture and Civil Engineering，2013，30（3）：16.

[12]吳函恒.鋼框架預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻裝配式結(jié)構(gòu)體系受力性能研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2014.

WU Hanheng.Mechanical Behavior Research on Steel Frameprefabricated Concrete Lateral Resistance Wall Fabricated Structural[D].Xian：Changan University，2014.

[13]周天華，吳函恒，白 亮，等.鋼框架型鋼混凝土抗側(cè)力墻裝配式結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2014，35（7）：131137.

ZHOU Tianhua，WU Hanheng，BAI Liang，et al.Experimental Study on Seismic Behavior of Steel Framesteel Reinforced Concrete Lateral Force Resisting Wall Fabricated Structures[J].Journal of Building Structures，2014，35（7）：131137.

[14]周天華，管 宇，吳函恒，等.鋼框架預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻裝配式結(jié)構(gòu)豎向受力性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2014，35（9）：2734.

ZHOU Tianhua，GUAN Yu，WU Hanheng，et al.Research on Vertical Mechanical Behavior of Steel Frameprefabricated Concrete Lateral Resistance Wall Fabricated Structure[J].Journal of Building Structures，2014，35（9）：2734.

[15]周天華，吳函恒，陳軍武，等.鋼框架預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2015，36（6）：2934.

ZHOU Tianhua，WU Hanheng，CHEN Junwu，et al.Experimental Study on Seismic Behavior of Steel Frameconcrete Lateral Force Resisting Wall Fabricated Structures[J].Journal of Building Structures，2015，36（6）：2934.

[16]管 宇，周天華，吳函恒，等.多高層鋼框架預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻裝配式結(jié)構(gòu)豎向受力性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2014，44（13）：6471，28.

GUAN Yu，ZHOU Tianhua，WU Hanheng，et al.Research on the Vertical Mechanical Behavior of Multistorey and Highrise Steel Frameprefabricated Concrete Lateral Resistance Wall Fabricated Structure[J].Building Structure，2014，44（13）：6471，28.

[17]吳函恒，周天華，呂 晶.鋼框架裝配式混凝土抗側(cè)力墻板結(jié)構(gòu)受力性能[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，46（1）：118125.

WU Hanheng，ZHOU Tianhua，LU Jing.Mechanical Behavior of Steel Framefabricated Concrete Lateral Force Resisting Wall Structures [J].Journal of Southeast University：Natural Science Edition，2016，46（1）：118125.

[18]吳函恒，呂 晶，周天華.基于纖維模型的鋼框架混凝土抗側(cè)力墻板裝配式結(jié)構(gòu)抗震性能分析[J].工業(yè)建筑，2016，46（3）：5460.

WU Hanheng，LU Jing，ZHOU Tianhua.Analysis of Seismic Behaviors of Steel Frameconcrete Lateral Force Resisting Wall Fabricated Structures Using Fiber Elements [J].Industrial Construction，2016，46（3）：5460.

[19]方鄂華，錢(qián)稼茹，葉列平.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

FANG Ehua，QIAN Jiaru，YE Lieping.Design of Highrise Buildings Structure[M].Beijing：China Architecture & Building Press，2003.

[20]陳 驥.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定：理論與設(shè)計(jì)[M].2版.北京：科學(xué)出版社，2003.

CHEN Ji.Stability of Steel Structures：Theory and Design[M].2nd ed.Beijing：Science Press，2003.