驗證帶鋼板倉鋼框架的建模合理性

步伏程 孫大公 許榮華 張國慶

摘要：帶鋼板倉的鋼框架是一種抗側(cè)力構(gòu)件，是以鋼板和鋼框架組成基本單元。PKPM設(shè)計軟件無法建立鋼板，僅用支撐進(jìn)行等效，此等效的合理性有待商榷?；贏BAQUS軟件，建立了考慮材料非線性和幾何非線性影響的帶鋼板倉鋼框架以及支撐鋼框架的有限元分析模型，驗證PKPM建模的合理性。分析帶鋼板倉鋼框架中鋼板厚度對其水平承載力和延性性能的影響。結(jié)果表明，帶鋼板倉鋼框架具有較高的水平承載力和良好的變形能力，Φ180×5.0圓鋼管支撐可以等效3mm板厚的帶鋼板倉鋼框架。

關(guān)鍵詞：鋼板倉;鋼框架;延性性能;承載力

工程為約旦JAZEERA主車間的EPC項目。結(jié)構(gòu)局部設(shè)置鋼板倉，導(dǎo)致實際工程中鋼框架局部位無法設(shè)置支撐。由于鋼板倉類似鋼板剪力墻，是抗側(cè)力構(gòu)件。但PKPM設(shè)計軟件無法建立鋼板，僅用Φ180×5.0圓鋼管支撐進(jìn)行等效，此等效的合理性有待研究。目前國內(nèi)關(guān)于帶鋼板倉鋼框架的研究處于空白狀態(tài)。為研究其受力性能，參考鋼板剪力墻的研究方法，利用有限元分析軟件 ABAQUS建立帶支撐的鋼框架以及帶鋼板倉的鋼框架有限元模型，分析其在水平單向荷載作用下的受力性能，分析其破壞形態(tài)，等效的合理性并研究鋼板倉的鋼板的厚度對其水平承載力、延性性能及變形能力的影響。

一、有限元分析模型

鋼材采用ABAQUS有限元軟件建立考慮幾何非線性和材料非線性的三維殼體模型，單元類型為S4R。模型底部全部固接，頂部約束平面外的位移，因為鋼板倉設(shè)置在頂部，所以忽略二階效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響。在頂部施加水平荷載以模擬構(gòu)件所受的水平力，加載方式采用位移控制。鋼材采用Q345B滿足Mises屈服準(zhǔn)則的等向彈塑性模型，彈性模量取2.06x105 MPa，泊松比取0.3。本構(gòu)關(guān)系采用二折線模型，其應(yīng)力-應(yīng)變表達(dá)式為：

為分析Φ180×5.0圓鋼管支撐以及鋼板厚度對整個結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的影響，通過ABAQUS有限元軟件設(shè)計了一組（BF1）帶圓鋼管支撐的鋼框架，以及6組（SF1～SF6）鋼板厚度t分別為 1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 mm的帶鋼板倉的鋼框架模型，具體幾何參數(shù)，如圖1。

以層間側(cè)移角達(dá)到1/250為結(jié)構(gòu)彈性狀態(tài)，即最大位移取36mm，以層間側(cè)移角達(dá)到1/50為結(jié)構(gòu)失效狀態(tài)，即最大位移取180mm。結(jié)構(gòu)的初始缺陷包含結(jié)構(gòu)整體的初始幾何缺陷和構(gòu)件的初始幾何缺陷、殘余應(yīng)力及初偏心。結(jié)構(gòu)的初始幾何缺陷包括節(jié)點位置的安裝偏差、桿件的初彎曲、桿件對節(jié)點的偏心等。一般，結(jié)構(gòu)的整體初始幾何缺陷的最大值可根據(jù)施工驗收規(guī)范所規(guī)定的最大允許安裝偏差取值，按最低階屈曲模態(tài)分布，取柱高的1/1000，即9mm進(jìn)行分析。一階模態(tài)如圖2。

二、計算結(jié)果分析

通過單調(diào)加載的荷載-位移曲線可以得到各個模型的強度、剛度以及延性等力學(xué)性能，具體數(shù)值見表1.

（一）承載能力

由圖3可知，各個模型都具有明顯的彈性段、強化段和塑性段。結(jié)合表1和圖3可以看出：

1.支撐鋼框架的屈服荷載為762.47kN，極限荷載為693.71kN。

2.鋼板倉框架隨著鋼板厚度的增加，其屈服荷載和極限荷載都增大。鋼板倉每增加0.5mm，SF2相較于SF1，其屈服荷載和極限荷載增幅分別達(dá)到19.41%和18.63%，為荷載增幅最大;SF6相較于SF5，其屈服荷載和極限荷載增幅分別達(dá)到14.14%和12.06%，為荷載增幅次之。

3.進(jìn)行等效處理，板厚2.5mm為臨界點。此時SF4相較BF1屈服荷載低0.71%，所以板厚大于2.5mm，PKPM軟件中即可用支撐鋼框架等效鋼板倉框架，隨著鋼板倉厚度的增加結(jié)構(gòu)趨于安全，但厚度也不能過大，這樣會導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)一階模態(tài)為扭。

（二）初始剛度

初始剛度是荷載移曲線在原點處的切線斜率，能夠反映出結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。從表1中的數(shù)據(jù)可以得知：

1.隨著鋼板倉厚度的增加，初始剛度亦增加。

2.進(jìn)行等效處理，板厚2.5mm為臨界點。此時SF4相較BF1初始剛度低5.4%，所以板厚大于2.5mm，PKPM軟件中即可用支撐鋼框架等效鋼板倉框架，表1中SF5和SF6是合適的。SF5相較SF4初始剛度提高21.13%，而SF6相較SF5初始剛度僅提高4.4%。所以設(shè)計時用Φ180×5.0圓鋼管支撐等效3mm厚的鋼板倉是最為安全和經(jīng)濟的。

（三）延性分析

從表1的結(jié)果可以看出，支撐鋼框架以及各種厚度的鋼板倉框架的延性系數(shù)均在3.51～5.77，說明具有較大的延性和變形能力。整體上，隨著鋼板倉厚度的增加，延性系數(shù)相應(yīng)增加。但當(dāng)鋼板厚度達(dá)到3mm，增加鋼板厚度時，延性系數(shù)降低。所以用Φ180×5.0圓鋼管支撐等效3mm厚的鋼板倉是最為合適的。

（四）應(yīng)力分布與變形分析

1.如圖4，支撐鋼框架中鋼框架的應(yīng)力相對較小，應(yīng)力最大處發(fā)生在Φ180×5.0圓鋼管支撐上。在加載過程中，圓鋼管支撐應(yīng)力逐漸增大，最終發(fā)生屈曲破壞，同時梁兩端也產(chǎn)生塑性鉸。

2.如圖5，鋼板倉鋼框架應(yīng)力最大處集中于斜向?qū)抢?，在整個破壞過程中結(jié)構(gòu)屬于延性破壞。

三、結(jié)語

結(jié)論主要有以下幾點：

1.帶鋼板倉鋼框架中鋼板厚度的增加，結(jié)構(gòu)的屈服荷載，極限荷載以及初始剛度相應(yīng)提高。

2.可以用Φ180×5.0圓鋼管支撐等效3mm板厚的帶鋼板倉鋼框架。

參考文獻(xiàn)：

[1]田煒烽，左進(jìn)博，鐘煒輝，郝際平.任意厚度非加勁鋼板剪力墻與防屈曲鋼板剪力墻的通用拉桿模型[J].建筑結(jié)構(gòu)報，2021，42（09）：148-158.