CN111400795A - 对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙稳定性预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙稳定性预测方法，抗震墙由下列结构墙肢构成，墙肢的两端为矩形钢管，中间采用一对冷弯卷边宽钢板焊接于矩形钢管侧面，在宽钢板上对穿螺栓并在各腔体内灌注自密实混凝土；对该结构抗震墙进行稳定性分析时，先计算其正则化宽厚比以及刚度，再计算三边支承墙肢或四边支承墙肢的受压最大边缘的临界压力，并给出了墙肢宽厚比的限值，由于实际工程设计上的考虑，对墙肢的正则化宽厚比适当放宽，针对不满足所给出限值的宽厚比以及考虑到对穿螺杆的约束作用，本发明给出了特有的墙肢稳定性验算公式，可以最大限度的保障本发明抗震墙结构设计的安全性，避免了传统预测方法带来的局限性和不安全性。

Description

对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙稳定性预测方法

技术领域：

本发明涉及建筑结构设计技术领域，针对一种全新的对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙设计结构，提出了适用于该结构抗震墙稳定性预测的方法。

背景技术：

装配式高层钢结构建筑已逐渐成为现代住宅产业化实现途径选择之一，在其结构化设计中，为抵抗风荷载和地震作用，要求具有较高的刚度和延性。而剪力墙结构是一种在多、高层住宅中广泛应用的抗震结构体系，不但具有较高的承载力和较大的刚度，并且没有凸梁凸柱，建筑布置灵活，住宅使用面积较高。在装配式钢结构建筑领域，近年来逐渐发展出若干新型装配式剪力墙结构住宅体系，包括装配式钢管混凝土框架-内嵌预制混凝土抗侧力墙结构体系、钢管混凝土束剪力墙结构、钢管混凝土框架内嵌钢板剪力墙结构、钢管混凝土框架-钢支撑结构等。

浙江越宫钢结构有限公司也推出了一种全新的“对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙钢结构住宅体系”，其主体结构中的“对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙”的墙肢是由采用冷弯成型高频焊接矩形钢管和冷弯槽钢及对穿螺栓构成，即：墙肢的两端采用矩形钢管，中间采用一对冷弯卷边宽钢板焊接于矩形钢管侧面，在宽钢板上对穿螺栓并在各腔体内灌注自密实混凝土。这种对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙具有钢-混凝土组合结构的优点，钢板可以约束混凝土，而对穿螺栓提供补充的约束，还可以少量提高腔内混凝土的抗压强度，对穿螺栓对腔内混凝土的延性提高是非常显著的。另一方面混凝土能为薄钢管壁提供支承，限制其局部屈曲，能充分发挥钢材与混凝土材料的优势，减小构件截面尺寸，节约成本。相比于现有的剪力墙结构，对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙在低周反复荷载试验下的滞回曲线更加饱满，具有更好的延性和耗能性能且墙厚更薄。

作为一种新型受力构件，在设计阶段必须验算其稳定承载力是否符合相关标准，在进行稳定性分析时，主要分为面内稳定和面外稳定，面内弯矩作用下的稳定性主要通过计算分析确定，而面外稳定则通过宽厚比控制实现。目前行业内针对未设置对穿螺栓的矩形钢管混凝土的壁板宽厚比控制要求不大于60ε_k，其中

f_y表示钢材的屈服强度。但为了减少纵向焊缝的数量，在设计时有必要适当放宽壁板宽厚比，同时，这种对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙采用对穿螺杆来约束壁板的屈曲，因此，在预测对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙稳定承载力时，需要对放宽后宽厚比的影响以及对穿螺杆的约束作用进行评测。而不同结构的抗震墙在进行结构分析时，需要根据其结构设计实际情况确定分析模型，该分析模型要能够准确反映出该结构中各构件的实际受力状况，现有的剪力墙稳定性验算方式都已然不再适用，需要采用一种全新的预测方式，并确保该预测方式用于评价对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙稳定性的安全性。有鉴于此，本案由此而生。

发明内容：

本发明针对一种全新的对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙结构而提出适用其进行稳定性预测的方法，研究了基于压力和弯矩联合作用下，对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙在三边支承墙肢或四边支承墙肢情况下的稳定承载力预测，具体采用以下技术方案实现：

对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙稳定性预测方法，包括具有如下结构的墙肢：该墙肢的两端采用矩形钢管，中间采用一对冷弯卷边宽钢板焊接于矩形钢管侧面，在宽钢板上对穿螺栓并在各腔体内灌注自密实混凝土；由上述墙肢结构构成对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙，该抗震墙的稳定性预测按如下方法进行：

(1)按下式计算所述抗震墙正则化宽厚比：

N_y＝A_sf_y+A_cf_ck (24)

式中

N_y——墙肢的轴心受压承载力标准值；

N_cr——墙肢单位宽度上的临界力；

f_ck——混凝土的抗压强度标准值；

A_c——混凝土面积；

A_s——钢截面面积；

λ_w——抗震墙正则化宽厚比；

(2)按下式计算抗震墙的刚度：

D_y＝0.9D_sm+0.6D_c (26)

D_xy＝(1-μ_s)D_sm+0.6(1-μ_c)D_c (27)

H_xy＝D_sm+(0.6+0.2μ_c)D_c (28)

式中：

D_x——墙肢平面外的纵向弯曲刚度；

D_y——墙肢平面外的水平向弯曲刚度；

D_xy——墙肢扭转刚度；

t——墙肢钢板面层的厚度；

D_c——墙肢的混凝土部分提供的墙肢厚度方向的抗弯刚度；

D_sm——墙肢的两个钢表层提供的墙肢厚度方向的抗弯刚度；

b——墙的总厚度，对截面的翼缘墙肢和腹板墙肢分别为b_f和b_w；

t_s——墙肢钢板面层的厚度；

b_c——混凝土厚度，有b_c＝b-2t_s；

h_c——单个腔的混凝土平均宽度，有h_c＝h-t_s；

h——闭口矩形钢管腔和对穿螺杆腔的平均宽度，h＝0.5(h₁+h₂)；

h₁——矩形钢管混凝土腔的宽度；

h₂——对穿螺栓腔的宽度；

B——墙肢的总宽度，计算时不能扣除半个墙厚；

h_st——墙肢层高；

H_xy——综合抗扭刚度；

E_s,E_c——钢材、混凝土的弹性模量；

μ_s,μ_c——钢材、混凝土的泊松比；

G_s——钢材的剪变模量；

(3)计算三边支承墙肢的受压最大边缘的临界压力，按下式计算：

其中，M_x为弯矩设计值；h_st为墙肢的层高，计算时不扣除楼板厚度；

(4)计算四边支承墙肢的受压最大边缘的临界压力，按下式计算：

其中，N_cr,N为墙肢轴压时，单位宽度上的临界力；N_cr,M为墙肢受弯时，以最大压力计量的单位宽度上的临界力；

其中，M_x为墙肢的强轴方向弯矩设计值；N为轴心压力设计值；

(5)下表中给出的是墙肢正则化宽厚比λ_w在不同抗震等级下的限值：

对于墙肢纯压荷载作用下的正则化宽厚比不满足上表中所规定的限值时，按下式验算该墙肢的稳定性：

其中，

上式中，

为三边或四边支承压弯荷载作用下墙肢稳定系数；N_max为墙肢宽度内单位宽度最大压力设计值，计算公式如下：

本发明上述提供的对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙稳定性预测方法，分别给出了墙肢正则化宽厚比在规定范围设计以及超规范设计时进行稳定性预测的不同方法，能够满足不同设计需要对安全性评测的要求，针对所设计的全新的一种抗震墙结构，在进行稳定性预测时综合考虑了放宽正则化宽厚比的影响以及对穿螺杆的约束作用，采用上述方法可以最大限度的保障对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙结构设计的安全性，避免了传统预测方法带来的局限性和不安全性。

以下通过附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。

附图说明：

图1为对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙构件的俯视图；

图2a为槽型截面腹板墙肢和翼缘墙肢宽度示意图；

图2b为T形截面腹板墙肢和翼缘墙肢宽度示意图；

图2c为L形截面腹板墙肢和翼缘墙肢宽度示意图；

图2d为组合型截面腹板墙肢和翼缘墙肢宽度示意图。

具体实施方式：

本实施例公开一种对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙稳定性预测方法，其中“对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙”的设计结构如图1所示，包括间隔布置的多个矩形钢管，相邻钢管之间留出固定间距布置一对冷弯卷边宽钢板，冷弯卷边宽钢板的卷边与两端钢管侧壁对齐焊接固定，并在冷弯卷边宽钢板之间对穿螺栓，最后在各腔体内灌注自密实混凝土。上述设计结构形成的抗震墙需要对其受力构件以及形成的墙肢稳定性、承载力进行评测，使之满足建筑领域的相关标准。

一、首先进行压弯、拉弯构件的承载力、稳定性预测分析：

1.1弯矩作用在一个主平面内的对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙压弯构件，其承载力应满足下式要求：

同时应满足下式要求：

M_un＝[0.5A_sn(B-2t_s-d_n)+bt_s(t_s+d_n)]f (4)

N_un＝A_snf+A_cnf_c (6)

t_sw＝t_s+Δt_s (7)

式中：

γ——系数，无地震作用组合时，γ＝γ₀；地震作用组合时，γ＝0.75；

N——轴心压力设计值；

N_un——轴心受压时净截面受压承载力设计值；

M——弯矩设计值；

α_c——混凝土工作承担系数设计值；

M_un——只有弯矩作用时净截面的受弯承载力设计值；

f——钢材抗弯强度设计值；

b,B——分别为对拉螺栓多腔钢管混凝土抗震墙截面平行、垂直于弯曲轴的边长；

t_s——钢管壁厚；

Δt_s——多腔抗震墙内的竖隔板的面积，分摊到两侧面板的等效厚度；

d_n——墙内混凝土受压区高度；

f_c——混凝土的抗压强度设计值；

A_cn——管内混凝土的截面面积；

A_sn—钢管净截面截面。

1.2弯矩作用在一个主平面内(绕x轴)的对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙压弯构件，其弯矩作用平面内的稳定性应满足下式要求：

N≥N_uc:

N＜N_uc:

M_ux＝[0.5A_s(h-2t_s-d_n)+bt_s(t_s+d_n)]f (10)

N_uc＝A_cf_c (12)

N_u＝A_sf+A_cf_c (13)

A_s＝2bt_s+2(B-2t_s)t_sw (14)

同时，一字墙弯矩作用平面外的稳定性应满足下式要求：

式中：

——弯矩作用平面内失稳的轴心受压稳定系数，按式(21、22)计算；

——弯矩作用平面外失稳的轴心受压稳定系数，按式(21、22)计算；

A_s——钢截面的面积；

A_c——混凝土面积；

M_x——墙肢的强轴方向弯矩设计值；

N_Ex——墙肢绕x轴失稳的欧拉临界力；

M_ux——绕x轴的受弯承载力设计值；

B——墙肢宽度；

N_u——墙肢的受压承载力设计值；

E_s——钢材弹性模量；

E_c——混凝土的弹性模量；

I_cx——混凝土部分对x轴的惯性矩；

I_sx——钢截面绕x轴的惯性矩；

h_st——墙肢层高；

1.3弯矩作用在一个主平面内的对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙拉弯构件，其承载力应满足下式要求：

1.4对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙的剪力可假定由对穿螺栓多腔钢管管壁承受，其剪切强度应满足下式要求：

V——对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙构件的最大剪力设计值；

A_w——墙体中与受力方向平行的钢板面积，对L形，T形，C形构件，不包括墙体翼缘的钢板面积；

f_v——钢板抗剪强度设计值。

1.5对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙为一字墙时的正则化长细比应按下式计算：

式中：

f_y——钢材的屈服强度；

λ——轴心受压对穿螺栓多腔钢管混凝土构件的长细比；根据计算轴，分别是λ_x,λ_y；

f_ck——混凝土的抗压强度标准值；

l₀——轴心受压构件的计算长度；内力采用二阶分析时，绕x轴取1.42倍层高，绕y轴取层高；

r₀——轴心受压对穿螺栓多腔钢管混凝土构件截面的当量回转半径；根据计算轴，分别是r_0x,r_0y；

I_c——混凝土截面提供的惯性矩，根据计算轴分别取I_cx,I_cy；

I_s——钢截面提供的惯性矩，根据计算轴分别取I_sx,I_sy；

E_s——钢材弹性模量；

E_c——混凝土的弹性模量。

1.6对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙绕强轴失稳的稳定系数和一字墙绕y轴失稳的稳定系数应按下式计算：

当λ₀≤0.215时：

当λ₀＞0.215时：

式中：

——构件的稳定系数；根据计算轴，分别是

λ₀——正则化长细比，按(18)式计算；根据计算轴，分别是λ_0x,λ_0y；

1.7对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙的构件计算长度l₀取构件所在楼层的层高h_s。同时，对楼板有局部削弱，构件与周边水平连接比较薄弱的部位，应采取加强措施保证结构的整体性。

二、进行对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙墙肢的稳定性分析：

2.1对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙正则化宽厚比按下式计算：

N_y＝A_sf_y+A_cf_ck (24)

式中

N_y——墙肢的轴心受压承载力标准值；

N_cr——墙肢单位宽度上的临界力；

f_ck——混凝土的抗压强度标准值；

A_c——混凝土面积；

A_s——钢截面面积；

2.2计算对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙的刚度：

D_y＝0.9D_sm+0.6D_c (26)

D_xy＝(1-μ_s)D_sm+0.6(1-μ_c)D_c (27)

H_xy＝D_sm+(0.6+0.2μ_c)D_c (28)

式中：

D_x——墙肢平面外的纵向弯曲刚度；

D_y——墙肢平面外的水平向弯曲刚度；

D_xy——墙肢扭转刚度；

t——墙肢钢板面层的厚度；

D_c——墙肢的混凝土部分提供的墙肢厚度方向的抗弯刚度；

D_sm——墙肢的两个钢表层提供的墙肢厚度方向的抗弯刚度；

b——墙的总厚度，对截面的翼缘墙肢和腹板墙肢分别为b_f和b_w；

t_s——墙肢钢板面层的厚度；

b_c＝b-2t_s——混凝土厚度；

h_c＝h-t_s——单个腔的混凝土平均宽度；

h——闭口矩形钢管腔和对穿螺杆腔的平均宽度，h＝0.5(h₁+h₂)；

h₁——矩形钢管混凝土腔的宽度；

h₂——对穿螺栓腔的宽度；

B——墙肢的总宽度(不能扣除半个墙厚)，各种形状腹板墙肢和翼缘墙肢的宽度取值示意如图2a至图2d所示；

h_st——墙肢层高；

H_xy——墙肢综合抗扭刚度；

E_s,E_c——钢材、混凝土的弹性模量；

μ_s,μ_c——钢材、混凝土的泊松比；

G_s——钢材的剪变模量；

2.3计算弹性屈曲临界荷载：

2.3.1三边支承墙肢的受压最大边缘的临界压力为：

M_x—弯矩设计值；

2.3.2四边支承墙肢受压最大边缘的临界压力为：

N_cr,N――墙肢轴压时，单位宽度上的临界力；

N_cr,M――墙肢受弯时，以最大压力计量的单位宽度上的临界力；

2.3.3墙肢正则化宽厚比限值：一字墙，三边、四边支承墙肢正则化宽厚比λ_w的限值如下表所示：

墙肢正则化宽厚比限值[λ_w]

上述给出的三边支承墙肢指L形、T形、[形、工形截面的翼缘墙肢以及T形截面的腹板墙肢。四边支承墙肢指[形、工形截面的腹板墙肢。

2.4对于墙肢纯压荷载作用下的正则化宽厚比不满足上表中的规定时，验算该墙肢的稳定性应按下式进行：

其中，N_max——墙肢宽度内单位宽度最大压力设计值，计算公式如下：

M_x——墙肢的强轴方向弯矩设计值；

——三边或四边支承压弯荷载作用下墙肢稳定系数；

λ_w——墙肢正则化宽厚比，由式(23)计算；

本发明上述提供的对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙稳定性预测方法，分别给出了墙肢正则化宽厚比在规定范围设计以及超规范设计时进行稳定性预测的不同方法，能够满足不同设计需要对安全性评测的要求，针对所设计的全新的一种抗震墙结构，在进行稳定性预测时综合考虑了放宽正则化宽厚比的影响以及对穿螺杆的约束作用，采用上述方法可以最大限度的保障对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙结构设计的安全性，避免了传统预测方法带来的局限性和不安全性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (1)

1.对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙稳定性预测方法，其特征在于：包括具有如下结构的墙肢：该墙肢的两端采用矩形钢管，中间采用一对冷弯卷边宽钢板焊接于矩形钢管侧面，在宽钢板上对穿螺栓并在各腔体内灌注自密实混凝土；由上述墙肢结构构成对穿螺栓多腔钢管混凝土抗震墙，该抗震墙的稳定性预测按如下方法进行：

(1)按下式计算所述抗震墙正则化宽厚比：

N_y＝A_sf_y+A_cf_ck (24)

式中

N_y——墙肢的轴心受压承载力标准值；

N_cr——墙肢单位宽度上的临界力；

f_ck——混凝土的抗压强度标准值；

A_c——混凝土面积；

A_s——钢截面面积；

λ_w——抗震墙正则化宽厚比；

(2)按下式计算抗震墙的刚度：

D_y＝0.9D_sm+0.6D_c (26)

D_xy＝(1-μ_s)D_sm+0.6(1-μ_c)D_c (27)

H_xy＝D_sm+(0.6+0.2μ_c)D_c (28)

式中：

D_x——墙肢平面外的纵向弯曲刚度；

D_y——墙肢平面外的水平向弯曲刚度；

D_xy——墙肢扭转刚度；

t——墙肢钢板面层的厚度；

D_c——墙肢的混凝土部分提供的墙肢厚度方向的抗弯刚度；

D_sm——墙肢的两个钢表层提供的墙肢厚度方向的抗弯刚度；

b——墙的总厚度，对截面的翼缘墙肢和腹板墙肢分别为b_f和b_w；

t_s——墙肢钢板面层的厚度；

b_c——混凝土厚度，有b_c＝b-2t_s；

h_c——单个腔的混凝土平均宽度，有h_c＝h-t_s；

h——闭口矩形钢管腔和对穿螺杆腔的平均宽度，h＝0.5(h₁+h₂)；

h₁——矩形钢管混凝土腔的宽度；

h₂——对穿螺栓腔的宽度；

B——墙肢的总宽度，计算时不能扣除半个墙厚；

h_st——墙肢层高；

H_xy——墙肢综合抗扭刚度；

E_s,E_c——钢材、混凝土的弹性模量；

μ_s,μ_c——钢材、混凝土的泊松比；

G_s——钢材的剪变模量；

(3)计算三边支承墙肢的受压最大边缘的临界压力，按下式计算：

其中，M_x为弯矩设计值；h_st为墙肢的层高，计算时不能扣除楼板厚度；

(4)计算四边支承墙肢的受压最大边缘的临界压力，按下式计算：

其中，N_cr,N为墙肢轴压时，单位宽度上的临界力；N_cr,M为墙肢受弯时，以最大压力计量的单位宽度上的临界力；

其中，M_x为墙肢的强轴方向弯矩设计值；N为轴心压力设计值；

(5)下表中给出的是墙肢正则化宽厚比λ_w在不同抗震等级下的限值：

对于墙肢纯压荷载作用下的正则化宽厚比不满足上表中所规定的限值时，按下式验算该墙肢的稳定性：

其中，

上式中，

为三边或四边支承压弯荷载作用下墙肢稳定系数；N_max为墙肢宽度内单位宽度最大压力设计值，计算公式如下：

Images