CN106930434A - 减少竖向载荷影响的圆弧形切口非加劲钢板剪力墙 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少竖向载荷影响的圆弧形切口非加劲钢板剪力墙，包括由框架柱、框架梁构成的主体结构，主体结构内安装内嵌钢板，所述内嵌钢板与框架柱和框架梁相连接，所述内嵌钢板水平向侧边开设有圆弧形切口，圆弧形切口的弧长为水平向、弧高为竖向，所述圆弧形切口位于内嵌钢板水平向侧边中部，其中，所述圆弧形切口的弧长为内嵌钢板跨度的1/3～1/4倍，圆弧形切口的弧高范围为10～15cm。本非加劲钢板剪力墙能充分发挥非加劲钢板剪力墙的抗侧能力，有效减弱竖向荷载对钢板剪力墙抗侧承载力的不利影响。

Description

减少竖向载荷影响的圆弧形切口非加劲钢板剪力墙

技术领域

本发明涉及一种钢板剪力墙，属于建设工程技术领域，尤其涉及一种减少竖向载荷影响的圆弧形切口非加劲钢板剪力墙。

背景技术

钢板剪力墙是20世纪70年代发展起来的一种新型抗侧力构件，根据构造形式不同可以将钢板剪力墙分为五类：非加劲钢板剪力墙、加劲钢板剪力墙、防屈曲钢板剪力墙、钢板组合剪力墙以及开缝钢板剪力墙。相比于钢筋混凝土剪力墙，钢板剪力墙的尺寸小、自重轻、增加房屋的使用面积、降低基础造价、经济效益好，同时其还具有抗侧刚度大、抗剪承载力高、延性好以及耗能能力强的特点，因此，钢板剪力墙成为最具有发展前景的高层抗侧力体系之一。

现行的JGJ/T380-2015《钢板剪力墙技术规程》中规定：钢板剪力墙宜按不承受竖向荷载设计计算，并应采用相应的构造和施工措施来实现计算假定。竖向荷载会使非加劲钢板剪力墙的内嵌钢板产生鼓曲，这对非加劲钢板剪力墙的抗侧能力、抗侧刚度以及耗能能力均会产生不利影响。为了实现钢板剪力墙不承受竖向荷载的计算假定，工程实践中的通常做法是先施工主体框架，待主体封顶且主要恒载均已施加完毕之后，再进行内嵌钢板的安装，该种做法存在以下几个问题，一是，会延长施工周期；二是，在风荷载作用下，没有钢板剪力墙提供抗侧力会导致建筑结构变形过大；三是，装修层等附加恒载以及使用荷载均是在内嵌钢板安装后施加的，竖向荷载仍会传递到钢板剪力墙上。另一种方法是将内嵌钢板的安装滞后于主体框架数层，与上一种方法相比，该种做法施工周期短，且在施工过程中，结构具有一定的抗侧刚度，但根本的问题是非加劲钢板剪力墙仍不可避免的承担部分竖向荷载。

根据现有技术要求，钢板剪力墙不宜承受除自重以外的竖向载荷，这在实际的设计、施工和使用中是很难保证的，因此，实现避免受竖向载荷的不利影响钢板剪力墙一直是建筑领域的难题。

如中国专利(授权公告号CN 203716336 U)公开了“一种侧边开洞薄钢板剪力墙”，包括平行设置的框架柱，在平行设置的框架柱之间至少设置一对框架梁，框架柱与框架梁分别与内嵌薄钢板(除开洞位置)连接，在内嵌薄钢板开洞处两侧对称设置有加劲肋。该发明可以给内嵌薄钢板提供较强的四边支承，可充分发挥钢板剪力墙“拉力场”效应，具有很高的侧向承载力；同时能够大幅降低“拉力场”对框架柱的附加弯矩，有效保护框架柱。该钢板剪力墙是可在不明显降低侧向承载力的情况下形成充分的“拉力场”，实质是在不大幅降低钢板剪力墙侧向承载力的前提下保护剪力墙两侧的钢柱，但对于非加劲钢板剪力墙在施工和使用过程中会受到竖向荷载的影响未有改进；此外，该钢板剪力墙对内嵌薄钢板上开设的洞口规格参数等也未有涉及，而这恰恰是影响钢板剪力墙侧向承载力的关键因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种减少竖向载荷影响的圆弧形切口非加劲钢板剪力墙，用于解决现有技术中的问题。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种减少竖向载荷影响的圆弧形切口非加劲钢板剪力墙，包括由框架柱、框架梁构成的主体结构，主体结构内安装内嵌钢板，所述内嵌钢板与框架柱和框架梁相连接，所述内嵌钢板水平向侧边开设有圆弧形切口，圆弧形切口的弧长为水平向、弧高为竖向，所述圆弧形切口位于内嵌钢板水平向侧边的中部。

为了实现本发明的目的，还可以采用如下技术方案：

如上所述的减少竖向载荷影响的圆弧形切口非加劲钢板剪力墙，所述圆弧形切口的弧长为内嵌钢板跨度的1/3～1/4倍，圆弧形切口的弧高范围为10～15cm。

如上所述的减少竖向载荷影响的圆弧形切口非加劲钢板剪力墙，所述圆弧形切口设置在内嵌钢板的上侧边和下侧边。

如上所述的减少竖向载荷影响的圆弧形切口非加劲钢板剪力墙，所述圆弧形切口设置在内嵌钢板水平向侧边的中间位置。

如上所述的减少竖向载荷影响的圆弧形切口非加劲钢板剪力墙，所述内嵌钢板的上侧边和下侧边分别设置的2个圆弧形切口上、下对应。

本发明的优点是：

1、本发明在内嵌钢板水平向侧边，也即内嵌钢板上侧边或/和下侧边设置圆弧形切口，这种构造措施能有效减弱竖向荷载对钢板剪力墙抗侧承载力的不利影响；采用本非加劲钢板剪力墙可以有效缩短施工周期，为建筑结构提供较好的抗侧刚度。

2、经过力学、结构等多方面的优化设计和模拟试验，本非加劲钢板剪力墙中内嵌钢板上开设的圆弧切口大小、参数选择范围科学合理、效果突出，也能较好的避免圆弧形切口过大，会造成内嵌钢板剪力抗侧承载力偏低；圆弧形切口过小，会使内嵌钢板承担过多的竖向荷载。

3、本发明具有结构构造简单、传力明确，便于安装施工和使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。

图1为本发明第一种实施方式的结构示意图；

图2为本发明第二种实施方式的结构示意图；

图3为所述设置不同圆弧形切口钢板剪力墙试件内嵌钢板承担竖向荷载比例的曲线；

图4为所述设置不同圆弧形切口钢板剪力墙试件内嵌钢板抗侧承载力的曲线；

图5为所述内嵌钢板在竖向荷载作用下弹性抗侧承载力折减率的曲线。

附图标记：1-顶部框架梁、2-底部框架梁，3-左框架柱，4-右框架柱，5-内嵌钢板，6-上圆弧形切口，7-下圆弧形切口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一：

如图1所示，本实施例中主体结构包括顶部框架梁1、底部框架梁2、左框架柱3、右框架柱4、内嵌钢板5，内嵌钢板5与顶部框架梁1和底部框架梁2相连接，与左、右框架柱3、4相连接。

内嵌钢板5水平向侧边包括上侧边和下侧边，本实施例在内嵌钢板5上侧边设置上圆弧形切口6，上圆弧形切口6的弧长L_c为水平向、弧高H_c为竖向。

实施例二：

本实施例在实施例一的基础上进行了改进，如图2所示，不同的是，本实施例中内嵌钢板5的下侧边还设置有下圆弧形切口7，2个圆弧形切口(6、7)上、下对应，均位于内嵌钢板5水平向侧边的中间位置，下圆弧形切口7与上圆弧切口6大小、参数设置相同，弧长L_c为水平向，弧高H_c为竖向。

结合实施例二，对设置有上圆弧形切口6、下圆弧形切口7的非加劲钢板剪力墙试件进行了数值模拟：

(1)顶部框架梁1、底部框架梁2选用600×300×30×40mm的工字型截面，左框架柱3、右框架柱4选用400×400×50mm的箱型截面，内嵌钢板5的跨度L_e和高度均为3000mm，厚度t_w为10mm，高厚比λ为300，内嵌钢板5选用低屈服点的Q235钢材，顶部框架梁1、底部框架梁2、左框架柱3、右框架柱4均为Q345钢材，圆弧形切口5的弧长L_c和弧高H_c为参数变量，钢板剪力墙试件参数详见表1，其中SPSW为常规钢板剪力墙试件，L1-1～L1-4、L2-1～L2-4为两组以弧长L_c为参数变量的钢板剪力墙试件，H3-1～H3-4、H4-1～H4-4为两组以弧高H_c为参数变量的钢板剪力墙试件；

(2)在有限元软件ABAQUS中建立非加劲钢板剪力墙试件模型：单元类型为S4R壳单元；顶部框架梁1、底部框架梁2与左框架柱3、右框架柱4均为绑定连接，内嵌钢板5与主体结构同为绑定连接，对内嵌钢板5底部施加固定约束，对左框架柱3、右框架柱4的底部施加铰接约束，同时限制顶部框架梁1、底部框架梁2腹板的平面外位移，耦合顶部框架梁1所对应左框架柱3外侧所有节点的水平向自由度；

(3)考虑钢板剪力墙的初始缺陷，在对钢板剪力墙进行有限元数值模拟时，先做特征值屈曲分析，取内嵌钢板5跨度L_e的1/1000作为初始缺陷施加在内嵌钢板5上；再考虑几何非线性和材料非线性，运用Full Newton Raphson迭代法进行非线性分析，即在钢板剪力墙顶部框架梁1上翼缘施加竖向线荷载q，由公式(1)～(3)计算q为1524N/mm，分析得出各非加劲钢板剪力墙试件及其内嵌钢板承担的竖向荷载，然后计算非加劲钢板剪力墙试件内嵌钢板承担的竖向荷载比例ζ，如表1所示；

由表1可知，SPSW试件内嵌钢板5承担的竖向荷载比例ζ为5.78％，大于圆弧切口内嵌钢板5所承担的竖向荷载比例ζ；当弧高H_c一定时，ζ随弧长L_c的增加而减小，当弧长L_c一定时，ζ随弧高H_c的增加而减小，由此可知：在内嵌钢板5上开设圆弧切口(6、7)的构造措施能有效减弱内嵌钢板5对竖向荷载的承担，圆弧切口(6、7)越大，内嵌钢板5承担的竖向荷载比例越小；

表1 竖向线荷载作用下内嵌钢板5承担的竖向荷载比例

σ_max＝M_max/W_z≤[σ] (1)

M_max＝ql²/8 (2)

W_z＝I_z/y_max (3)

公式(1)～(3)中：[σ]为材料的许用应力，M_max为顶部框架梁1的最大弯矩，σ_max为顶部框架梁1上的最大正应力，W_z为弯曲截面系数，q为竖向线荷载，l为框架梁的跨度，I_z为截面惯性系数，y_max为顶部框架梁1横截面上距离中性轴最远应力点的纵坐标；

(4)采用与步骤(3)相同的方法，对在竖向荷载和水平位移荷载作用下的钢板剪力墙试件进行有限元数值模拟，水平位移Δ根据钢板剪力墙的层间位移角θ逐级施加，直到层间位移角θ达1/50，使内嵌钢板5经历弹性、弹塑性以及塑性阶段，层间位移角θ＝Δ/h，h＝3300mm为加载点到框架柱(3、4)底的距离，水平位移施加在顶部框架梁1所对应左框架柱3外侧的耦合点上；分析得出内嵌钢板5的抗侧承载力F_pHV，绘制F_pHV与θ的关系曲线；根据圆弧切口钢板剪力墙试件内嵌钢板5的弹性抗侧承载力和SPSW试件内嵌钢板5的弹性抗侧承载力，计算开设圆弧切口引起的内嵌钢板弹性抗侧承载力折减率ω；

图3a为H_c＝50mm、L_c不同时内嵌钢板5抗侧承载力的曲线，图3b为H_c＝150mm、L_c不同时内嵌钢板5抗侧承载力的曲线，图3c为L_c＝750mm、H_c不同时内嵌钢板5抗侧承载力的曲线，图3d为L_c＝1000mm、H_c不同时内嵌钢板5抗侧承载力的曲线；由图3a～3d可知，圆弧切口钢板剪力墙试件的内嵌钢板5较常规钢板剪力墙试件的内嵌钢板5，其承载力有所削减，弧长L_c越大，折减率ω越大；弧长L_c一定时，折减率ω随弧高H_c增加而略呈增大的趋势；H_c不同的内嵌钢板5，其抗侧承载力曲线相近；由此可见，与常规钢板剪力墙试件内嵌钢板5相比，开设圆弧切口的构造措施会引起内嵌钢板5抗侧承载力的折减，弧长L_c是影响折减率的主要因素；

(5)采用与步骤(3)、(4)相同的方法对在水平位移荷载作用下的钢板剪力墙试件进行有限元数值模拟，分析得出内嵌钢板5的抗侧承载力F_pH；根据步骤(4)得出的弹性抗侧承载力F_pHV和本步骤得出的弹性抗侧承载力F_pH计算竖向荷载引起的内嵌钢板5弹性抗侧承载力折减率ψ；图4a为L_c不同时内嵌钢板5受竖向荷载影响的弹性抗侧承载力折减率的曲线，图4b为H_c不同时内嵌钢板受竖向荷载影响的弹性抗侧承载力折减率的曲线，图中虚线为SPSW试件内嵌钢板5弹性抗侧承载力折减率；由图可知：圆弧切口钢板剪力墙与常规钢板剪力墙相比，竖向荷载对其内嵌钢板5弹性抗侧承载力的影响减弱，折减率ψ随弧长L_c的增大而减小，当增加弧高H_c时，折减率ψ出现轻微下降现象，弧长L_c是影响竖向荷载对内嵌钢板5弹性抗侧承载力折减率的主要因素；

(6)综合分析不同圆弧形切口(6、7)尺寸对内嵌钢板5抗侧承载力的影响及对减弱内嵌钢板5抗侧承载力受竖向荷载影响的程度，得出圆弧形切口(6、7)的弧长L_c取内嵌钢板5跨度L_e的1/3～1/5倍范围、弧高H_c取100mm～150mm。

本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。

Claims (5)

1.一种减少竖向载荷影响的圆弧形切口非加劲钢板剪力墙，包括由框架柱、框架梁构成的主体结构，主体结构内安装内嵌钢板，所述内嵌钢板与框架柱和框架梁相连接，其特征在于，所述内嵌钢水平向侧边开设有圆弧形切口，圆弧形切口的弧长为水平向、弧高为竖向，所述圆弧形切口位于内嵌钢板水平向侧边的中部。

2.根据权利要求1所述的减少竖向载荷影响的圆弧形切口非加劲钢板剪力墙，其特征在于，所述圆弧形切口的弧长为内嵌钢板跨度的1/3～1/4倍，圆弧形切口的弧高范围为10～15cm。

3.根据权利要求1或2所述的减少竖向载荷影响的圆弧形切口非加劲钢板剪力墙，其特征在于，所述圆弧形切口设置在内嵌钢板的上侧边和下侧边。

4.根据权利要求1或2所述的减少竖向载荷影响的圆弧形切口非加劲钢板剪力墙，其特征在于，所述圆弧形切口设置在内嵌钢板水平向侧边的中间位置。

5.根据权利要求3所述的减少竖向载荷影响的圆弧形切口非加劲钢板剪力墙，其特征在于，所述内嵌钢板的上侧边和下侧边分别设置的2个圆弧形切口上、下对应。