兩邊連接加勁鋼板剪力墻抗剪性能分析

劉智穎 周文杰 李冠民

【摘 要】鋼板剪力墻作為一種新型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，能夠有效抵抗側(cè)向力，克服鋼筋混凝土剪力墻的自重對(duì)其抗剪性能的影響同時(shí)能對(duì)角隅混凝土容易開(kāi)裂等現(xiàn)象進(jìn)行有效規(guī)避，具有整體重量較輕、結(jié)構(gòu)剛度大、抗側(cè)向力性能好、延展性好和施工快簡(jiǎn)便快捷等優(yōu)點(diǎn)。在原有理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究試驗(yàn)表明，支承柱體的破壞是鋼板剪力墻抗剪性能喪失的主要原因，而通過(guò)設(shè)置橫向加勁肋可顯著提高鋼板剪力墻的承載能力。厚度不同的鋼板其抗剪性能不同，當(dāng)鋼板受到外力作用時(shí)，較薄的鋼板受到的影響大于較厚的鋼板。然而，無(wú)論是厚板和薄板，加強(qiáng)肋寬比有助于增強(qiáng)兩邊連接加勁鋼板剪力強(qiáng)的抗剪性能。對(duì)此，調(diào)查員詳細(xì)調(diào)查了各種連接方式的加勁鋼板在工程建筑上的應(yīng)用，分析比對(duì)其方式的優(yōu)劣性，著重分析了兩邊連接加勁鋼板剪力墻的抗剪性能，作出此文。

【關(guān)鍵詞】剪力墻；抗側(cè)力構(gòu)件；性能分析；

引言

鋼板剪力墻是十九世紀(jì)七十年代開(kāi)始使用的建筑方式，其本質(zhì)是一種有效抗側(cè)力構(gòu)件。發(fā)展初期主要應(yīng)用在北美和日本等國(guó)家，并被廣泛應(yīng)用于多層和高層建筑的結(jié)構(gòu)框架中，尤其適用于海拔高的地區(qū)。鋼板剪力墻克服了混凝土剪力墻自身重量大、角部易開(kāi)裂的缺點(diǎn)。兩邊連加勁鋼板剪力墻是它的布置不容易受到限制，并且能夠滿(mǎn)足住宅用戶(hù)在鋼體結(jié)構(gòu)上需要靈活開(kāi)設(shè)門(mén)窗洞口的需求。兩邊連接加勁鋼板抗剪力強(qiáng)的應(yīng)用對(duì)鋼板墻的推廣起到非常關(guān)鍵的作用，此方法還具備兩邊連接鋼板墻不再與柱子相連的特點(diǎn)。

1結(jié)構(gòu)分析

兩側(cè)連接加勁支撐鋼板剪力墻的結(jié)構(gòu)方式是在與墻連接的上下框架梁上進(jìn)行焊接并與左右兩側(cè)框架的支柱斷開(kāi)，沿剪力墻的架構(gòu)方式在鋼筋兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，設(shè)立對(duì)角板。在水平剪力在作用下，剪力墻的左右兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，容易引起它發(fā)生局部彎曲，因此通常會(huì)在剪力墻的左右兩側(cè)的加勁對(duì)角上交叉設(shè)計(jì)加勁鋼板。同時(shí)在剪力墻內(nèi)壁沿著墻板對(duì)角排列線(xiàn)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置加勁肋，墻內(nèi)、墻下及框架梁只采用焊接連接或螺栓連接，左右兩側(cè)不連接框架。

2受力破壞分析

2.1結(jié)構(gòu)受力破壞

兩邊連接加勁鋼板剪力墻框架柱的受力情況是不均勻的。從結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)角度考慮，框架柱被破壞造成的危害性高于梁被破壞帶來(lái)的危害，因?yàn)榱旱钠茐膶儆跇?gòu)件破壞，是局部破壞，不具備整體危害性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)受損情況尚且有可挽回的余地?？蚣苤茐膶?huì)危及整個(gè)框架結(jié)構(gòu)的安全，可能會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的倒塌，將會(huì)造成嚴(yán)重后果，所以要保證柱子“相對(duì)”安全。

2.2荷載受力破壞

為了研究?jī)蛇呥B接加勁式鋼板剪力墻各類(lèi)構(gòu)件在水平荷載作用下的破壞順序及破壞情況，可以采用一個(gè)典型的單層帶邊框兩邊連接加勁式鋼板剪力模型，向右進(jìn)行靜力對(duì)剪力墻的作用分析，在以往對(duì)剪力墻抗剪性的分析研究報(bào)告中來(lái)看，在受到外力作用時(shí)，兩邊連接加勁式鋼板的剪力墻會(huì)在其上形成一個(gè)屈服區(qū)域，在逐漸增大的水平荷載作用下，首先在剪力墻的墻底邊角部及梁端部與加勁鋼板墻接處出現(xiàn)屈服區(qū)，隨著側(cè)向荷載作用力的逐漸增大，鋼板墻中屈服區(qū)域面積逐漸增大到大部分鋼墻區(qū)域，接著支柱子底端也將出現(xiàn)屈服區(qū)，最后柱子頂部出現(xiàn)屈服區(qū)。屈服區(qū)的產(chǎn)生順序放映了剪力墻受到外力作用下的破壞順序，我們可以根據(jù)其先后順序，在對(duì)應(yīng)的部分采取措施來(lái)提高剪力墻的抗剪性能。

3剪力墻受力分析

框架梁承受剪力最大的位置為框架梁、柱的節(jié)點(diǎn)附近，梁中部受到的剪力作用較小，在實(shí)際的建筑工程應(yīng)用中，可考慮在框架梁節(jié)點(diǎn)區(qū)域增大剪力墻梁截面尺寸以提高梁的抗剪承受力，從而保證框架梁不先于剪力墻的加勁鋼板發(fā)生破壞。兩邊連接加勁鋼板剪力墻的框架梁節(jié)點(diǎn)區(qū)域剪力變化梯度較大，其原因是鋼板的對(duì)邊受力方向相反，在遭受剪力時(shí)，形成順時(shí)針?lè)较虻膹澗?，此彎矩需要通過(guò)鋼板的四個(gè)角點(diǎn)的形成剪力平衡，剪力在此區(qū)域數(shù)值隨著剪力墻彎矩?cái)?shù)值的變化而改變。

4加勁肋對(duì)剪力墻性能影響

兩邊連接加勁鋼板的剪力墻在設(shè)置加勁肋后，墻板的抗剪能力有了顯著提 高，而對(duì)于厚度較薄鋼板其承載性能的提高幅度要大于具有一定厚度的鋼板。加勁肋對(duì)于厚板和薄板荷載位移曲線(xiàn)數(shù)值的影響不同。加勁肋會(huì)對(duì)鋼板的抗剪性能產(chǎn)生影響。對(duì)于厚度較薄的鋼板來(lái)說(shuō)，沒(méi)有采用加勁肋的薄板其承載性能雖然較厚板的抗剪性低，但是具有較好的延展性能。但鋼板的延展性卻有所降低。隨著肋板剛度比的增加，極限承載力也隨之增加，且延展性也有所提高。因此，對(duì)薄板設(shè)置加勁肋，要使得承載力提高的同時(shí)，考慮到不能過(guò)多地降低其延展性。肋板剛度比的選取應(yīng)同時(shí)考慮到加勁肋的寬度與厚度之比，因?yàn)閷捄癖鹊臏p小會(huì)使加勁肋自身對(duì)鋼的用量在增加。因此在實(shí)際工程中，不宜取用過(guò)小的加勁肋寬厚比，否則無(wú)法有效地提高鋼板的抗剪性，而且會(huì)造成一定的資源浪費(fèi)。另一方面，加勁肋寬厚比也不宜取得過(guò)大，因?yàn)檫^(guò)大的寬厚比會(huì)使加勁肋屈曲嚴(yán)重，從而難以發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

5模型構(gòu)建

兩邊連接加勁鋼板剪力墻最常用的構(gòu)建模型為限元模型。在構(gòu)建模型的過(guò)程中，框架梁、柱的抗壓和抗彎剛度均取無(wú)窮大，且框架梁、柱節(jié)點(diǎn)為餃型連接方式，水平荷載力施加在加勁鋼板上方框架的梁端，一階模態(tài)對(duì)應(yīng)的水平剪力即為鋼板剪力墻的彈性屈曲承載力。在以往對(duì)兩邊連接鋼板剪力墻的抗剪性研究中，通常還應(yīng)用到單層單跨鉸接模型，在此模型構(gòu)建中框架梁抗壓能力和抗彎剛度也設(shè)定為無(wú)窮大，在此模型設(shè)定下，加勁鋼板剪力墻具有構(gòu)造簡(jiǎn)單，受力點(diǎn)和受力方向明確等優(yōu)點(diǎn)，但該模型不能考慮到剪力墻框架梁的剛度以及梁柱節(jié)點(diǎn)形式對(duì)加勁鋼板剪力墻抗剪性的影響。在模型構(gòu)建時(shí)為了更真實(shí)地模擬鋼板剪力墻實(shí)際的受力狀態(tài)，常通過(guò)對(duì)層數(shù)單跨五層的兩邊連接鋼板剪力墻在單向荷載作用下的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析。

6不同類(lèi)型比較

6.1鋼板加勁肋

加勁肋的設(shè)置可有效地防止剪力墻兩側(cè)邊的平面外變形，阻止建筑物的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。但是剪力墻加勁肋構(gòu)試件的滯回能力較弱，這是因?yàn)榧觿爬咴诳辜暨^(guò)程中存在初始缺陷，在剪力產(chǎn)生時(shí)，其構(gòu)件為了應(yīng)對(duì)承載力的變化會(huì)過(guò)早地產(chǎn)生屈曲，無(wú)法對(duì)其彎曲部位進(jìn)行恢復(fù)，只在早期表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗剪能力，對(duì)剪力墻有貢獻(xiàn)有限。

6.2四邊連接鋼板

四邊連接加勁鋼板與兩邊連接有所不同。采用四邊連接鋼板剪力墻在受到剪力作用時(shí)其框架梁、柱共同工作，并且四邊連接鋼板剪力強(qiáng)的初始剪切剛度和承載力較兩邊連接鋼板剪力墻有所提高。與四邊連接鋼板剪力墻相比，兩邊連接鋼板剪力墻的初始剪切剛度降低了剪力墻平均剪應(yīng)力。但是四邊連接剪力鋼板存在施工操作難度大，建構(gòu)應(yīng)用受到限制的缺點(diǎn)。

6.3交叉加勁肋與十字加勁肋

通過(guò)考察兩邊連接加勁鋼板剪力墻在建筑工程上的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)加勁鋼板的結(jié)構(gòu)方式常采用交叉加勁肋和十字加勁肋，通過(guò)對(duì)交叉加勁板與十字加勁板屈曲荷載的比較，而交叉加勁肋的長(zhǎng)度是十字加勁肋長(zhǎng)度的兩倍.為了能更準(zhǔn)確地比較二者的屈曲荷載，通過(guò)建立與十字加勁肋長(zhǎng)度相等的交叉加勁肋鋼板剪力墻模型，對(duì)構(gòu)建后模型進(jìn)行分析研究，得出交叉加勁肋屈曲荷載的增量。通過(guò)研究可知采用交叉加勁肋可以使墻板的屈曲荷載在十字加勁肋的基礎(chǔ)上提高三至五成，且隨著墻板高厚比的增大，提高幅度有所增加。由此可見(jiàn)，交叉加勁肋是一種比十字加勁肋更加有效的加勁形式，能夠起到更充分地利用材料，達(dá)到節(jié)省用鋼量的作用。

結(jié)束語(yǔ)

兩邊連接加勁鋼板剪力墻具有良好的延展性和抗消耗能力，具有較強(qiáng)的抗剪性能。采用這種連接形式的剪力墻的框架柱會(huì)受到抗剪保護(hù)，其部件是一種較為合理的結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)件。同時(shí)剪力墻的構(gòu)建還可以采取其他輔助構(gòu)件，如采取增設(shè)加勁肋的方式。綜合研究表明，加勁肋的存在不但減小了剪力墻兩側(cè)邊的平面的變形，同時(shí)也提高了兩邊連接鋼板剪力墻的承載力和抗消耗能力，加勁肋對(duì)于荷載等指標(biāo)的提高較低，但仍能增強(qiáng)邊界的穩(wěn)定性。

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（作者單位：中國(guó)建筑第四工程局有限公司）