四边连接开洞屈曲约束钢板墙简化分析模型_刘文洋.pdf

第 53 卷 第 3 期2023 年 2 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.3Feb.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.LS210346国家自然科学基金项目(51608180),黑龙江八一农垦大学学成、引进人员科研启动计划课题(XDB-2017-05),黑龙江八一农垦大学研究生创新科研项目(YJSCX2021-Y118)。第一作者:第一作者:刘文洋,博士,副教授,主要从事钢结构抗震研究,Email:wyliu81 。四边连接开洞屈曲约束钢板墙简化分析模型刘文洋,代启鹏,郭 巍,张荣花(黑龙江八一农垦大学土木水利学院,大庆 163319)摘要:为简化四边连接开洞屈曲约束钢板墙结构的建模、分析和设计,提出采用等效多斜杆模型作为四边连接开洞屈曲约束钢板墙的等代模型。确定了合理的杆件数量、位置和斜杆截面面积分配比例。基于刚度和承载力等效原则给出了斜杆截面面积和等效材料强度的计算公式。利用有限元方法对四边连接开洞屈曲约束钢板墙和等效多斜杆模型进行了分析对比,验证了等效多斜杆模型的准确性。结果表明:提出的等效多斜杆模型不仅能够准确模拟四边连接开洞屈曲约束钢板墙的受力过程,还能较好地模拟开洞屈曲约束钢板墙对边缘构件的传力,结构的初始刚度、屈服承载力、荷载-位移曲线和边缘构件的内力大小与分布均符合较好,可以作为四边连接开洞屈曲约束钢板墙的等代模型进行结构分析与设计。关键词:屈曲约束钢板墙;开洞;四边连接;等效多斜杆模型 中图分类号:TU392.4 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)03-0122-05引用本文 刘文洋,代启鹏,郭巍,等.四边连接开洞屈曲约束钢板墙简化分析模型J.建筑结构,2023,53(3):122-126.LIU Wenyang,DAI Qipeng,GUO Wei,et al.Simplified analysis model for four-side connected buckling restrained steel plate shear wall with holesJ.Building Structure,2023,53(3):122-126.Simplified analysis model for four-side connected buckling restrained steel plate shear wall with holesLIU Wenyang,DAI Qipeng,GUO Wei,ZHANG Ronghua(College of Civil Engineering and Water Conservancy,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319,China)Abstract:In order to simplify the modeling,analysis and design of four-side connection buckling restrained steel plate shear wall(FBRW)with holes,the equivalent diagonal strip model was presented as the equivalent model of holed FBRW.The reasonable number of diagonal strips,location and section area distribution ratio of diagonal strips were proposed.Based on the principle of equal stiffness and bearing capacity,the formulas for calculating the section area and equivalent material strength of diagonal strips were presented.The holed FBRW and the equivalent diagonal strip model were analyzed by finite element method to verify the accuracy of the equivalent diagonal strip model.The results indicated that the equivalent diagonal strip model can accurately simulate the loading process of the holed FBRW and the force transmission of the holed FBRW to boundary elements.The initial stiffness,bearing capacity,load-displacement curve,the magnitude and distribution of internal forces of boundary elements were all in good agreement.So the proposed equivalent diagonal strip model can be used as the equivalent model of the holed FBRW in structural analysis and design.Keywords:buckling restrained steel plate shear wall;holes;four-side connection;equivalent diagonal strip model 0引言 屈曲约束钢板墙是在钢板剪力墙两侧设置抑制钢板屈曲的约束板而形成的,与普通钢板墙相比,屈曲约束钢板墙接近平面应力状态,滞回曲线饱满,耗能能力较普通钢板墙显著增强。目前屈曲约束钢板墙的连接方式主要有四边连接和两边连接。四边连接屈曲约束钢板墙是把钢板墙周边均与边缘梁、柱相连。四边连接屈曲约束钢板墙虽然具有较好的受力性能1-3,但周边未受约束板约束的区域会形成相对薄弱区,此外梁、柱的相对转动引起的拉压效应也会导致钢板墙角部积累较大的塑性变形,这些因素会导致四边连接屈曲约束钢板墙在周边连接处特别是角部首先发生撕裂破坏,从而影响屈曲约束钢板墙受力性能的充分发挥。两边连接屈曲约束钢板墙是钢板墙仅在上下两端与边缘梁相连4-6,这种连接方式可以避免屈曲约束钢板墙对边缘柱的直接传力,提高结构布置的灵活性。但两边连接同时也降低了钢板墙的承载效率,第 53 卷 第 3 期刘文洋,等.四边连接开洞屈曲约束钢板墙简化分析模型而且导致梁端存在较大的剪力,给边缘梁的设计增加了难度。傅学怡等7提出采用四角连接的方式,即在四边的中间部位断开,这种连接方式会导致屈曲约束钢板墙的部分区域对受力贡献不大,因此承载力有一定降低,并且滞回曲线出现捏缩,耗能能力也有一定下降,不利于屈曲约束钢板墙的受力性能发挥。为避免四边连接屈曲约束钢板墙在周边连接处发生破坏,孙飞飞等8-9提出了均匀开圆孔和开竖缝的组合钢板墙,通过在钢板墙内部开设均匀排列的圆孔或适当的竖向缝隙使屈曲约束钢板墙的薄弱部位由钢板墙周边转移至约束板覆盖区域内。但均匀开圆孔和开竖缝均会导致屈曲约束钢板墙内部的应力线中断较多,承载效率有所降低。为此,刘文洋等10-11提出错列布置孔洞的四边连接开洞屈曲约束钢板墙,通过错列开洞不仅使墙体中部成为相对薄弱区,还有利于提高开洞屈曲约束钢板墙的承载效率。开洞屈曲约束钢板墙建模较为复杂,而且很多结构设计软件中并不具备建立钢板墙模型的单元,因此,有必要提出简化分析模型来代替四边连接开洞屈曲约束钢板墙进行结构体系的分析与设计。文献11提出的等效交叉支撑模型虽然能够很好地模拟四边连接开洞屈曲约束钢板墙的承载力和刚度,但无法准确模拟开洞屈曲约束钢板墙对边缘构件的传力,导致边缘构件的内力不准确。为此,本文提出采用等效多斜杆模型作为四边连接开洞屈曲约束钢板墙的等代模型,以解决边缘构件内力计算不准的问题。1等效多斜杆模型的确定 错列开洞屈曲约束钢板墙的开洞方式是首先将钢板墙沿水平和竖直方向划分为偶数个区格,使每个区格为正方形或尽量趋于正方形。然后在区格的交点处交错设置孔洞并使孔洞沿 45方向排列,即形成错列开洞屈曲约束钢板墙(图 1)。与并列开洞屈曲约束钢板墙相比,错列开洞方式可使钢板墙形成一系列沿 45方向布置的钢板条带,条带的方向与四边连接屈曲约束钢板墙的主拉应力和主压应力方向相同,因而可以避免钢板墙内部的拉力带和压力带被过多切断,有利于保证屈曲约束钢板墙具有较高的承载效率。1.1 斜杆的布置 对于错列开洞屈曲约束钢板墙,交错布置的孔洞将钢板墙分割形成多个沿 45方向的条带,每一个条带可用一根经过条带中线的斜杆来代替,斜杆图 1 四边连接开洞屈曲约束钢板墙开洞方式截面面积代表值为 Ab。每根斜杆均为不屈曲杆,斜杆两端与边缘构件铰接,且两个方向的斜杆之间互不相连。为保证等效多斜杆模型能够准确模拟开洞屈曲约束钢板墙对边缘构件的传力,研究发现角部的三角形板带需要用 2 根斜杆来代替。其中角部第二根斜杆两端连接点位于梁(或柱)对应第二行(或第二列)孔洞的位置。角部第一根斜杆两端连接点位于端部被第二根斜杆分割的梁段(或柱段)靠近梁端(或柱端)的三分点处。角部第一根斜杆的截面面积按下列规定确定:当钢板墙的高宽比 1 时,取 0.5Ab;当钢板墙的高宽比 1 时,取 0.75Ab。角部第二根斜杆的截面面积取 0.75Ab。除每个角部 2 根斜杆以外的其他杆件截面面积均取 Ab。图 2 为针对图 1 所示开洞屈曲约束钢板墙确定的等效多斜杆模型。图 2 等效多斜杆模型1.2 斜杆的截面面积 等效多斜杆模型的侧移刚度应该与开洞屈曲约束钢板墙的侧移刚度相同,因此斜杆截面面积代表值 Ab可按照与开洞屈曲约束钢板墙初始刚度相等的原则来确定。四边连接开洞屈曲约束钢板墙321建 筑 结 构2023 年的初始刚度 K 可基于文献10提出的计算公式修正得到,即:K=kEt2.6(1)式中:k为考虑开洞影响的初始刚度折减系数,k=1.1be/b,其中 b 为钢板墙的宽度,be为钢板墙扣除孔洞后的最小净宽;E 为钢材的弹性模量;t 为钢板墙的厚度;为钢板墙的高宽比,即钢板墙高度h 与宽度 b 之比。斜杆截面面积代表值 Ab计算公式如下:Ab=1.15Kh2n1Esincos2(2)n1=n-2+(3)式中:n1为一个方向所有斜杆截面面积系数之和;n为一个方向的斜杆数量;为角部第一根斜杆截面面积系数,根据钢板墙高宽比不同取 0.5 或 0.75;为角部第二根斜杆截面面积系数,取 0.75;为斜杆与梁的夹角;1.15 是根据参数分析结果得到的修正系数。1.3 斜杆的等效材料强度 等效多斜杆模型的屈服承载力应该与开洞屈曲约束钢板墙的屈服承载力相等,因此斜杆的等效材料强度可按与开洞屈曲约束钢板墙屈服承载力相等的原则来确定。四边连接开洞屈曲约束钢板墙的屈服承载力 Vy可基于文献10提出的计算公式修正得到,即:Vy=vbtfvy(4)式中:v为考虑开洞影响的承载力折减系数,v=1.05be/b;fvy为钢板墙的剪切屈服强度。在角部两根斜杆与边缘柱的连接处,由于两个方向杆件截面面积不同会导致该处产生横向不平衡力(图 3),在计算等效多斜杆模型的屈服承载力时需要考虑该不平衡力的影响。图 3 等效多斜杆模型左柱受力示意图图 3 所示为结构承受由左向右的水平力时左侧边缘柱的受力图,除角部两根斜杆外,其他斜杆在连接处引起的横向力均相互抵消,因此未在图中标示。由 角 部 第 一 根 斜 杆 引 起 的 横 向 不 平 衡 力N1为:N1=Abfybcos(5)式