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螺栓孔对钢板墙初始刚度和屈服承载力的影响分析

2020-12-09 497 上传者：管理员

摘要：为了紧固屈曲约束钢板墙两侧的约束板,需要在钢板墙上开设螺栓孔。目前,在进行屈曲约束钢板墙初始刚度和屈服承载力的计算时并未考虑螺栓孔的影响。为此,本文研究了螺栓孔对两边连接屈曲约束钢板墙初始刚度和屈服承载力的影响,提出用折减系数来反映屈曲约束钢板墙初始刚度和屈服承载力的降低,并给出了两边连接屈曲约束钢板墙考虑螺栓孔影响的刚度和承载力折减系数计算公式。与有限元分析结果的对比表明,理论公式计算结果精度较高,具有较好的适用性。

关键词：
初始刚度
屈曲约束钢板墙
屈服承载力
折减系数
螺栓孔
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屈曲约束钢板墙是通过在普通钢板墙的两侧增设约束板而形成的,约束板的作用只是为了抑制钢板墙的屈曲而并不对结构贡献刚度和承载力。屈曲约束钢板墙的抗侧力滞回曲线较为饱满,耗能能力和承载力较普通钢板墙显著增强[1]。屈曲约束钢板墙按连接方式可分为四边连接和两边连接,四边连接是指钢板墙四边均与边缘构件(梁或柱)连接,而两边连接是指钢板墙只与水平边缘构件(梁)连接[2]。为了紧固钢板墙两侧的约束板,需要在钢板墙上间隔一定距离开设螺栓孔。为了保证约束板仅对钢板墙提供面外约束而不提供额外的刚度和承载力,除了在约束板四周预留一定间隙外,还需要保证螺栓与钢板墙或约束板之间有足够的错动间隙。通常钢板墙的螺栓孔有两种形式:一种是在钢板上开设与螺栓直径相适应的小圆孔,在约束板上开设长圆孔或较大的圆孔;另一种是在钢板上开设长圆孔,而在约束板上开设与螺栓直径相适应的小圆孔。

在进行屈曲约束钢板墙的设计时,初始刚度和屈服承载力是重要的设计参数,但钢板墙的开孔会导致初始刚度和屈服承载力有一定的下降,因此在设计时有必要考虑开孔的影响。目前针对屈曲约束钢板墙的初始刚度和屈服承载力已提出了一些计算公式[3,4,5,6,7],但这些公式均未考虑螺栓孔对屈曲约束钢板墙屈服承载力和初始刚度的影响。

为此,本文研究了螺栓孔对屈曲约束钢板墙初始刚度和屈服承载力的影响,结果表明:当在钢板上开设小圆孔时,截面削弱较小,对初始刚度和屈服承载力的影响不大,因此可以不考虑开孔的影响;当在钢板上开设长圆孔时,截面削弱较大,则需要考虑开孔的影响。本文提出用折减系数的方式来考虑屈曲约束钢板墙初始刚度和屈服承载力的降低,给出了刚度和承载力折减系数的计算公式,可供工程设计使用。

1、两边连接屈曲约束钢板墙的刚度和承载力

文献[7]对未考虑螺栓孔影响的两边连接屈曲约束钢板墙的初始刚度和屈服承载力进行了研究,并给出了相应的计算公式。其中初始刚度是在水平荷载作用下产生单位位移所需施加的力,公式综合考虑了屈曲约束钢板墙的弯曲和剪切变形并引入了合理的剪应力不均匀分布系数。屈服承载力是在屈曲约束钢板墙形成屈服截面时通过将屈服截面处的水平力分量求和得到的。

两边连接矩形屈曲约束钢板墙的初始刚度可采用下式进行计算[7]:

两边连接矩形屈曲约束钢板墙的屈服承载力可按下列公式进行计算[7]:

小高宽比屈曲约束钢板墙(h/b<1.5)

大高宽比屈曲约束钢板墙(h/b≥1.5)

2、刚度折减系数

当在钢板上开设长圆孔时,屈曲约束钢板墙的初始刚度会有所降低。假定刚度折减系数与钢板墙净宽度be和墙宽b的比值成正比,经过计算分析将钢板开长圆孔时屈曲约束钢板墙的刚度折减系数按下式进行计算:

式中ηk——刚度折减系数,当计算值大于1时,取ηk=1;

be——钢板墙扣除横截面上开孔总长度的最小净宽。

3、承载力折减系数

由式(2)和式(3)可知,两边连接屈曲约束钢板墙的屈服承载力与横截面尺寸直接相关,由于开螺栓孔会导致钢板墙内部的力线中断,因此屈曲约束钢板墙的承载力会有所降低。假定承载力折减系数与钢板墙净宽度be和墙宽b的比值成正比,经过计算分析将钢板墙开长圆孔时屈曲约束钢板墙的承载力折减系数按下式进行计算:

式中,ηv为承载力折减系数,当计算值大于1时,取ηv=1。

在计算带螺栓孔两边连接屈曲约束钢板墙的初始刚度时,应在式(1)的基础上乘以按式(4)计算的刚度折减系数。在计算屈服承载力时,应在式(2)或式(3)的基础上乘以按式(5)计算的承载力折减系数。

4、算例验证

为验证本文建议的刚度和承载力折减系数是否合理,采用理论公式对表1所列的不同尺寸、不同开孔长度和数量的两边连接屈曲约束钢板墙(图1)进行计算,并与有限元分析结果进行对比,分析结果见表1。有限元分析采用ABAQUS软件完成,用S4R单元模拟屈曲约束钢板墙。考虑到约束板能够有效地抑制钢板墙的屈曲,为简化建模和分析,有限元模型中没有直接建立约束板的模型,而是将约束板的作用通过限制钢板墙的平面外自由度来模拟。将钢板墙下边缘设定为不动铰接,约束钢板墙上边缘的竖向自由度,然后在上边缘施加水平位移至屈曲约束钢板墙完全屈服。有限元分析的初始刚度和屈服承载力通过采用等能量法[8,9]获得理想双折线荷载-位移曲线来确定。

图1钢板墙开孔示意

由表1可见,考虑刚度和承载力折减系数后,采用理论公式计算得到的屈曲约束钢板墙初始刚度和屈服承载力与有限元分析结果吻合得较好,误差基本在5%以内。这表明本文提出的刚度和承载力计算公式能够较为准确地反映开设螺栓孔对两边连接屈曲约束钢板墙初始刚度和屈服承载力的影响,具有较好的适用性。

5、螺栓孔位置对承载力的影响

为进一步研究螺栓孔位置对屈曲约束钢板墙承载力的影响,利用ABAQUS软件对图2所示的3种不同开孔位置和不开孔的屈曲约束钢板墙进行受力分析。其中,中间开孔是指开孔位置位于钢板墙一半高度处(图2(a)),中部开孔是指开孔位置位于钢板墙高度的四分点处(图2(b)),端部开孔是指开孔位置距端部0.1m(图2(c))。钢板墙的尺寸为h=3m,b=2m,t=6mm。荷载-位移曲线的对比如图3所示。结果表明,只有端部开孔会对屈曲约束钢板墙的承载力产生显著影响,而处于端部屈服区域(该屈服区域约为钢板墙高度的1/10[10])以外的开孔对屈曲约束钢板墙的承载力基本没有影响。

表1两边连接矩形屈曲约束钢板墙开孔后的刚度和承载力对比

注:m为竖向开孔行数;n为每一横截面上的开孔数;钢板墙屈服强度fy=235N/mm2。

图2钢板墙的开孔位置

图3不同开孔方式的荷载-位移曲线对比

为验证是否只有处于端部屈服区域的开孔才会影响屈曲约束钢板墙的承载力,分别对不开孔和开孔距端部分别为0.1m(端部开孔)、0.2m、0.3m、0.4m的5种钢板墙进行分析对比,如图4所示。由于钢板墙高度为3m,因此开孔位置距端部0.4m已经超出了端部屈服区域(屈服区域高度为0.3m),而开孔位置距端部0.3m则恰好在端部屈服区域边缘。由图4可见:开孔位置距端部0.4m时,与不开孔钢板墙相差不大;而开孔位置距端部0.2m时,则与端部开孔钢板墙较为接近。

图4端部不同开孔的荷载-位移曲线对比

综上所述,在考虑螺栓孔的影响对屈曲约束钢板墙的承载力进行折减时,可仅考虑端部屈服区域(钢板墙端部0.1h范围)内的螺栓孔影响。一般屈曲约束钢板墙的螺栓孔分布均较为均匀,且端部屈服区域内必然会有螺栓孔以保证约束板的约束效应。因此,屈曲约束钢板墙的承载力折减系数可按端部最外一排螺栓孔的尺寸进行计算。

6、结论

1)研究了螺栓孔对两边连接屈曲约束钢板墙初始刚度和屈服承载力的影响,提出用折减系数来反映初始刚度和屈服承载力的降低。

2)给出了两边连接屈曲约束钢板墙考虑螺栓孔影响的刚度和承载力折减系数计算公式,计算结果具有较高的精度。

3)屈曲约束钢板墙的承载力折减系数可按端部最外一排螺栓孔尺寸进行计算。

参考文献：

[1]郭彦林,周明.钢板剪力墙的分类及性能[J].建筑科学与工程学报,2009,26(3):1-13.

[2]孙飞飞,高辉,李国强.两边组合钢板墙的试验研究[C]//第四届海峡两岸及香港钢结构技术交流会.上海:2006.

[3]陆烨,李国强,孙飞飞.I形大高宽比屈曲约束钢板剪力墙的试验和理论研究[J].土木工程学报,2011,44(10):45-52.

[4]陆烨.大高宽比屈曲约束组合墙钢框架束柱体系性能研究[D].上海:同济大学,2009.

[5]马欣伯,张素梅,郭兰慧,等.两边连接钢板混凝土组合剪力墙简化分析模型[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2009,41(3):352-357.