鋼框架內(nèi)填鋼板剪力墻抗側(cè)力體系性能研究

摘 要：本文研究了內(nèi)填鋼板支撐剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及性能，對體系進(jìn)行建模并實(shí)施對其線彈性有限元分析，得出由于外包混凝土對內(nèi)填鋼板支撐的約束作用，可以大大提高其穩(wěn)定性及剛度。同時(shí)通過對結(jié)構(gòu)模型一些幾何參數(shù)的變化研究其對結(jié)構(gòu)工作性能的影響，得出關(guān)于內(nèi)填鋼板支撐剪力墻的屈曲性能、剛度提高狀況和工作穩(wěn)定性等的相關(guān)結(jié)論。

關(guān)鍵詞：鋼框架；抗側(cè)力體系；屈曲性能；有限元分析；試驗(yàn)?zāi)M

近幾年，鋼結(jié)構(gòu)建筑相比于磚混結(jié)構(gòu)建筑在環(huán)保、節(jié)能、高效、工廠化生產(chǎn)等方面具有明顯優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于建筑中。然而在福建的應(yīng)用很少。目前也沒有出臺有關(guān)高層建筑剪力墻混合結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)程或規(guī)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(nèi)填鋼板剪力墻的穩(wěn)定性能以及抗震性能研究分析。目前國內(nèi)關(guān)于此類結(jié)構(gòu)的研究處于初始階段，其相關(guān)文獻(xiàn)非常之少。為了確保這類結(jié)構(gòu)的抗震安全性、減輕地震災(zāi)害，對這種結(jié)構(gòu)的抗震性能和設(shè)計(jì)方法開展系統(tǒng)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(nèi)填鋼板剪力墻以及鋼框架。內(nèi)填鋼板支撐剪力墻的建模，研究分析得出內(nèi)填鋼板剪力墻的屈曲模態(tài)及屈曲荷載，以及內(nèi)填鋼板支撐剪力墻的包括自振頻率、結(jié)構(gòu)振型等的動力特征和結(jié)構(gòu)的抗震性能。課題著重對模擬實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)的鋼框架內(nèi)填鋼板支撐剪力墻體系進(jìn)行小震作用下的線彈性反應(yīng)分析和罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析，并對該結(jié)構(gòu)體系與其他抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行計(jì)算分析對比，從而得出該結(jié)構(gòu)體系的工作性能的優(yōu)異點(diǎn)。

（2）通過進(jìn)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(jié)結(jié)構(gòu)在動力性能方面的變化；并通過進(jìn)一步調(diào)整影響其工作機(jī)能的相關(guān)參數(shù)研究內(nèi)填鋼板支撐剪力墻鋼框架結(jié)構(gòu)在小震、大震等不同工作狀況下的抗震機(jī)能。

2 試驗(yàn)方法和步驟

（1）屈曲性能分析：

結(jié)構(gòu)線性臨界荷載值，然后以第一階屈曲模態(tài)為依據(jù)對結(jié)構(gòu)施加初始缺陷。先定義約束系數(shù)λ，對一字形截面鋼板進(jìn)行支持試驗(yàn)。λ為2%記錄構(gòu)件軸向荷載與軸向應(yīng)變?nèi)^程曲線，并得到對應(yīng)于2%軸向應(yīng)變的最大抗壓承載力P。對不同約束系數(shù)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(yīng)變?nèi)^程曲線進(jìn)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(jié)構(gòu)抗震性能模型分析：

采用SAP2000進(jìn)行建模，將結(jié)構(gòu)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(hù)構(gòu)件對主體結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算有結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)造特點(diǎn)、分析精度要求和計(jì)算容量來確定。材料阻尼選8%，結(jié)構(gòu)質(zhì)量有結(jié)構(gòu)方案和材料特征有程序自動計(jì)算。樓面荷載為2kN/m2計(jì)算。通過模態(tài)分析，得到框架各階頻率模型。分析不同頻率下產(chǎn)生的應(yīng)力、變形和位移，再利用結(jié)構(gòu)振動模態(tài)分析結(jié)構(gòu)動力特征。得到各樓層的最大位移對結(jié)構(gòu)從強(qiáng)到及變形兩方面進(jìn)行安全性檢驗(yàn)。

（3）塑性抗震性能分析：

用動力分析作為各種簡化計(jì)算方法的比較標(biāo)準(zhǔn)。按照地震波數(shù)據(jù)輸入地面運(yùn)動，通過積分運(yùn)算，求得在地面加速度隨時(shí)間變化期間內(nèi)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形隨時(shí)間變化的全過程，相比彈性分析中的振型分解反應(yīng)譜法和POA方法。對于質(zhì)量與剛度明顯不對稱、不均勻的結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮雙向水平振動和樓面扭轉(zhuǎn)的影響：此時(shí)，樓面除有質(zhì)量mi，（mi，為結(jié)構(gòu)第i層的等效質(zhì)量）外，還有轉(zhuǎn)動慣量Ij對振動產(chǎn)生影響，這相當(dāng)于協(xié)同工作計(jì)算法考慮了樓面轉(zhuǎn)動時(shí)的情況。

（4）利用PKPM結(jié)構(gòu)分析軟件，在PMCAD中結(jié)合實(shí)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(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況進(jìn)行抗震分析。結(jié)合動力學(xué)理論，研究對比各個(gè)結(jié)構(gòu)的層間位移、平均位移、層間位移角，從而具體分析每種抗側(cè)力體系的實(shí)際抗側(cè)力性能，可能影響性能的一些外在因素。

3 技術(shù)關(guān)鍵及其解決辦法

該項(xiàng)目的研究成果是否具有可指導(dǎo)性，關(guān)鍵在于特征值屈曲分析方法考察鋼板及剪力墻各個(gè)參數(shù)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件工作性能的影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。本項(xiàng)目主要采用SAP2000有限元軟件進(jìn)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(tài)變化，對于剪力墻在出現(xiàn)塑性狀態(tài)逐漸破壞之后對鋼板支撐的影響的變化需要嚴(yán)謹(jǐn)處理進(jìn)一步的研究。

4 總結(jié)

通過建模模擬試驗(yàn)研究分從理論方面對抗側(cè)力體系的受力性能進(jìn)行分析，進(jìn)一步獲知內(nèi)填鋼板支撐剪力墻結(jié)構(gòu)體系在多遇地震作用下的抗震性能及工作機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果揭示了鋼板墻的極限承載力、延性和滯回性能的變化規(guī)律，為鋼板剪力墻規(guī)范以屈曲后強(qiáng)度為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。直接影響鋼框架結(jié)構(gòu)在多高層應(yīng)用的廣泛性和服務(wù)年限。研究以福建實(shí)際地質(zhì)情況為依托，研究結(jié)果具有一定的科研價(jià)值和實(shí)踐指導(dǎo)意義，將為今后的理論研究及地質(zhì)地震情況提供理論依據(jù)，使得鋼框架結(jié)構(gòu)水平抗側(cè)力的剛度和穩(wěn)定性進(jìn)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