CN112182712B - 考虑竖向加劲肋共同受力的钢板墙受压稳定承载判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑竖向加劲肋共同受力的钢板剪力墙受压稳定承载判断方法。本发明的钢板剪力墙的受压稳定结果考虑了竖向加劲肋的承载力，得到的钢板剪力墙受压承载力更接近于真实承载力，能有利于有效降低墙体用钢量，降低成本。

Description

考虑竖向加劲肋共同受力的钢板墙受压稳定承载判断方法

技术领域

本发明属于结构设计技术领域的一种建工结构构件整体稳定处理方法。具体涉及一种考虑竖向加劲肋共同受力的钢板剪力墙受压稳定承载判断方法。

背景技术

在高层建筑钢结构中，用于抵御风荷载、地震作用等水平力的抗侧力体系主要有混凝土钢板剪力墙、钢支撑、钢板剪力墙等。

混凝土钢板剪力墙对结构侧移要求严格，和钢结构一起使用时，钢结构抗侧延性好的优势无法发挥。钢支撑抗侧移性能好，但钢支撑与梁柱之间的连接节点构造复杂，用钢量大，且制作加工成本高，现场施工误差大。同时钢支撑在地震作用下发生屈曲，承载力随侧移的增加而急剧退化，抗震性能不佳。

钢板剪力墙由于构件形式简单，连接节点容易实现、受力性能优良等，在多高层钢结构建筑中得到了越来越多的应用。在抗震设计的第二阶段，希望钢板剪力墙有较好的塑性变形来消耗更多的地震能量。而钢板剪力墙纵横向尺度较大，钢板厚度相对较薄，很容易发生失稳而使得抗弯和抗压承载力急剧下降，抗剪承载力则通过发展斜拉力场来得以一部分保留，但是斜拉力场对与之相连的柱子施加了很大的横向荷载，柱子本身有被拉弯及发生平面外弯扭屈曲的可能。

目前常用的防止钢板剪力墙失稳的方法有两种。第一种是在钢板剪力墙上设置竖向加劲肋，有纵横两个方向的竖向加劲肋，根据计算需要设置，将钢板剪力墙划分为小方格，降低宽厚比，提高屈曲承载力。第二种方法是在钢板剪力墙外侧固定混凝土板，利用混凝土板的刚度来约束钢板剪力墙，避免钢板剪力墙的屈曲。

第一种方法描述的加劲钢板剪力墙，竖向加劲肋与钢板剪力墙焊接在一起，水平力作用下竖向加劲肋和钢板剪力墙协同受力，协同变形。这种钢板剪力墙刚度大，吸收压力，因而容易受压屈曲，钢板的钢材的塑性变形能力得不到较好的开展。

第二种方法描述的混凝土约束钢板剪力墙，混凝土板和钢板之间为了很好的固定，需要在钢板剪力墙上开孔或焊接螺栓，通过螺栓将两侧混凝土板固定在钢板墙上。这种构造连接复杂，需要在工厂制作成品构件，运输和安装要求高。

在施工过程中，常采用钢板剪力墙与钢梁后焊的方式来保证其不承受过多的竖向荷载，这给施工带来工期的推后，而且不能彻底免除钢板剪力墙承受后续的恒载和活载，在结构受侧向力过程中也承受一定的竖向荷载和弯矩。

发明内容

现有技术中钢板剪力墙的竖向加劲肋不参与受力，仅对钢板剪力墙的面外稳定性提供支持，因此没有充分利用竖向加劲肋自身的承载力。为促进钢板剪力墙在工程中的应用，本发明提供一种考虑竖向加劲肋共同受力的钢板剪力墙受压稳定承载判断方法，该方法将钢板剪力墙的有效宽度部分与竖向加劲肋本身作为整体压杆组合截面进行压杆承载力的判断处理，简单可行，适用于单侧竖向加劲肋和双侧竖向加劲肋，易于被工程设计人员掌握。

本发明采用的技术方案是：

如图1所示，所述钢板剪力墙上设置有竖向加劲肋，多根竖向加劲肋沿水平间隔布置，每根竖向加劲肋焊接于钢板剪力墙侧面；由竖向加劲肋和钢板剪力墙共同承受竖向压力，将钢板剪力墙的有效宽度部分与竖向加劲肋本身组成作为压杆组合截面，按下列公式处理根据压杆组合截面判断钢板剪力墙受压稳定的整体稳定性：

式中：

σ_cs——压力作用下压杆组合截面的竖向应力；

a_x——区格净宽；

t_p——根据压杆组合截面面积得到的钢板剪力墙厚度；

t_s——竖向加劲肋厚度；

b_s——竖向加劲肋宽度；

d_s——竖向加劲肋截面高度；

N_u——压杆组合截面的最大受压承载力；

若满足上述公式，则钢板剪力墙受压稳定；

若不满足上述公式，则钢板剪力墙不受压稳定。

所述的区格为相邻竖向加劲肋之间的钢板剪力墙的区域。

所述的压杆组合截面的最大受压承载力N_u计算为：

A＝t_pβ+2d_st_s+b_st_s

式中：

A——压杆组合截面面积；

——压杆组合截面的稳定系数；

——压杆组合截面的正则化长细比；

β——有效宽度系数；

f——钢材抗压强度设计值；

所述的有效宽度系数β计算为：

式中：

ρ_sp，σ——区格的计算折减系数；

λ_σ，sp——竖向加劲肋截面与压杆组合截面的弹性屈曲应力比值的平方根。

所述的钢板剪力墙构筑在钢梁和钢柱之间。

钢板剪力墙的有效宽度部分是指竖向加劲肋两侧相邻附近的钢板剪力墙部分，竖向加劲肋单侧附近的钢板剪力墙部分宽度为t_pβ。本发明由两侧宽度t_pβ的钢板剪力墙和竖向加劲肋一起构成了压杆组合截面。

所述有效宽度系数β按照以下方法优化处理获得：

1)初始取为然后按照以下公式计算竖向加劲肋的门槛刚度γ_y,σth：

ψ_σy＝1.34+0.3tanh(2.89α_sp-1.73)

式中：

k_σ,panel——区格竖向受压屈曲系数；

γ_y——竖向加劲肋刚度；

γ_y,σth——竖向加劲肋的门槛刚度；

χ——嵌固系数；

k_σ0——未加劲钢板墙的屈曲系数；

ν——泊松比；

α_sp——区格净宽与墙高度的比值；

ψ_σy——与区格净宽和墙高度比值有关的系数；

σ_cr,e0——未加劲钢板墙的受压屈曲应力；

As——钢板剪力墙的面积；

然后对加劲肋的门槛刚度γ_y,σth进行判断和进一步处理获得钢板剪力墙的竖向受压弹性屈曲应力σ_cr：

当γ_y≥γ_y,σth时，

当γ_y＜γ_y,σth时，

式中：σ_cr,sp,e、k_σ,panel、σ_cr,e0、γ_y分别表示竖向加劲肋的刚度高于门槛刚度时对应的小区格竖向受压弹性屈曲应力、小区格屈曲系数、未加劲钢板墙受压屈曲应力、竖向加劲肋刚度；

2)然后按照以下公式更新有效宽度系数β：

式中：

λ_σ,sp——竖向加劲肋截面与压杆组合截面的弹性屈曲应力比值的平方根；

σ_cri——竖向加劲肋作为压杆的弹性临界应力；

σ_cr——设置竖向加劲肋的钢板剪力墙的竖向受压弹性屈曲应力；

β——长度放大系数的计算值，与上述估算值对比迭代；

ρ_sp,σ——区格的折减系数；

3)不断迭代上述步骤1)和2)，直到当前次迭代获得的有效宽度系数β与上一次迭代获得的有效宽度系数β之间的误差相差在0.1％以内时结束迭代，以最后获得的次迭代获得的有效宽度系数β作为最终结果。

本发明的有益效果体现在：

1、钢板剪力墙的受压稳定结果考虑了竖向加劲肋的承载力，因此得到的钢板剪力墙受压承载力更接近于真实承载力。

2、对单侧竖向加劲肋和双侧对称竖向加劲肋提出统一的处理方法，是把钢板剪力墙的有效宽度部分与竖向加劲肋作为整体进行压杆承载力的判断。

3、与现有技术相比，钢板剪力墙的受压承载力计算值可提高15％～50％，可有效降低墙体用钢量，降低成本效益。

本发明可广泛应用于各类钢结构建筑的抗侧力体系——钢板剪力墙的搭建。

附图说明

图1为本发明适用的仅设置竖向加劲钢板剪力墙示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例及其具体步骤如下：

1、由于有效宽度系数β未知，实际上需要迭代计算，一般初始取双侧竖向加劲肋可以同样计算先假定β值，依次计算钢板剪力墙小区格的有效宽度b_e，竖向加劲肋的面积A以及区格净宽a_x：

b_e＝min(2βt_p+d_s,a_x)

A＝t_pβ+2d_st_s+b_st_s

其中，n_v表示竖向加劲肋的道数，a_s表示钢板剪力墙宽度；

2、计算出压杆组合截面的整体形心y₀，竖向惯性矩I_sy，长细比λ以及正则长细比

其中，y₀表示压杆组合截面的整体形心，I_sy、i_y、h_s、λ、E、f_yk分别表示组合截面的竖向惯性矩、组合截面的回转半径、钢板剪力墙的高度、剪力墙的长细比、钢材弹性模量、钢材屈服强度；

3、计算稳定系数区格承受压力N_u，以及钢板墙受压承载力σ_cs：

4、在上述计算出受压承载力后，对有效宽度系数β值进行优化迭代处理，直到计算得到的β值与上述估计的β值相对误差在0.1％以内时完成优化。具体实施中，取嵌固系数χ为1.23，区格竖向受压屈曲系数k_σ,panel取5.5。

具体实施的钢板用Q355钢材，取钢板墙高度h_s为3m，宽度a_s为3m，墙厚t_p分别为4，6,8,10,12mm，竖向加劲肋采用槽型截面，截面高度d_s分别为50,75,100，100,100mm，宽度b_s分为50,75,100,100，100mm，壁厚t_s对应墙厚的变化，依次为4,6,8,10,12mm，竖向加劲肋道数n_v沿墙宽度方向共设置2道。分别用本发明方法和现有方法判断得到下表结果：

表1.本发明和现有JGJ99方法公式的整体稳定性对比

从表1计算的数据可知，相同钢板墙厚度的情况下，本发明得到的钢板墙极限压应力要比现有JGJ99方法的计算值高30％～65％，本发明的钢板墙受压承载力计算值要比现有JGJ99方法高15％～50％。考虑竖向加劲肋共同受力之后，钢板剪力墙的受压承载力得到较大幅度的提升，效果明显。本发明的计算过程清晰明确，计算方法有效。

由此实施可见，本发明的钢板剪力墙的受压稳定结果考虑了竖向加劲肋的承载力，得到的钢板剪力墙受压承载力更接近于真实承载力，能有利于有效降低墙体用钢量，降低成本。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.一种考虑竖向加劲肋共同受力的钢板剪力墙受压稳定承载判断方法，其特征在于：所述钢板剪力墙上设置有竖向加劲肋，多根竖向加劲肋沿水平间隔布置，每根竖向加劲肋焊接于钢板剪力墙侧面；由竖向加劲肋和钢板剪力墙共同承受竖向压力，将钢板剪力墙的有效宽度部分与竖向加劲肋本身组成作为压杆组合截面，按下列公式处理根据压杆组合截面判断钢板剪力墙受压稳定的整体稳定性：

式中：

σ_cs——压力作用下压杆组合截面的竖向应力；

a_x——区格净宽；

t_p——根据压杆组合截面面积得到的钢板剪力墙厚度；

t_s——竖向加劲肋厚度；

b_s——竖向加劲肋宽度；

d_s——竖向加劲肋截面高度；

N_u——压杆组合截面的最大受压承载力；

若满足上述公式，则钢板剪力墙受压稳定；

若不满足上述公式，则钢板剪力墙不受压稳定；

所述的压杆组合截面的最大受压承载力N_u计算为：

A＝t_pβ+2d_st_s+b_st_s

式中：

A——压杆组合截面面积；

——压杆组合截面的稳定系数；

——压杆组合截面的正则化长细比；

β——有效宽度系数；

f——钢材抗压强度设计值；

所述的有效宽度系数β计算为：

式中：

ρ_sp，σ——区格的计算折减系数；

——竖向加劲肋截面与压杆组合截面的弹性屈曲应力比值的平方根；

所述有效宽度系数β按照以下方法优化处理获得：

1)初始取为然后按照以下公式计算竖向加劲肋的门槛刚度γ_y,σth：

ψ_σy＝1.34+0.3tanh(2.89α_sp-1.73)

式中：

k_σ,panel——区格竖向受压屈曲系数；

γ_y——竖向加劲肋刚度；

γ_y,σth——竖向加劲肋的门槛刚度；

χ——嵌固系数；

k_σ0——未加劲钢板墙的屈曲系数；

n——泊松比；

α_sp——区格净宽与墙高度的比值；

ψ_σy——与区格净宽和墙高度比值有关的系数；

σ_cr,e0——未加劲钢板墙的受压屈曲应力；

As——钢板剪力墙的面积；

n_v——竖向加劲肋的道数；

a_s——钢板剪力墙宽度；

h_s——钢板剪力墙的高度；

E——钢材弹性模量；

f_yk——钢材屈服强度；

然后对竖向加劲肋的门槛刚度γ_y,σth进行判断和进一步处理获得钢板剪力墙的竖向受压弹性屈曲应力σ_cr：

当γ_y≥γ_y,σth时，

当γ_y＜γ_y,σth时，

式中：σ_cr,sp,e、k_σ,panel、σ_cr,e0、γ_y分别表示竖向加劲肋的刚度高于门槛刚度时对应的小区格竖向受压弹性屈曲应力、区格竖向受压屈曲系数、未加劲钢板墙受压屈曲应力、竖向加劲肋刚度，E表示钢材弹性模量，a_s表示钢板剪力墙宽度；

2)然后按照以下公式更新有效宽度系数β：

式中：

λ_σ,sp——竖向加劲肋截面与压杆组合截面的弹性屈曲应力比值的平方根；

σ_cri——竖向加劲肋作为压杆的弹性临界应力；

σ_cr——设置竖向加劲肋的钢板剪力墙的竖向受压弹性屈曲应力；

β——有效宽度系数，与估算值对比迭代；

ρ_sp,σ——区格的计算折减系数；

E——钢材弹性模量；

3)不断迭代上述步骤1)和2)，直到当前次迭代获得的有效宽度系数β与上一次迭代获得的有效宽度系数β之间的误差相差在0.1％以内时结束迭代，以最后获得的次迭代获得的有效宽度系数β作为最终结果。

2.根据权利要求1所述的一种考虑竖向加劲肋共同受力的钢板剪力墙受压稳定承载判断方法，其特征在于：所述的区格为相邻竖向加劲肋之间的钢板剪力墙的区域。

3.根据权利要求1所述的一种考虑竖向加劲肋共同受力的钢板剪力墙受压稳定承载判断方法，其特征在于：所述的钢板剪力墙构筑在钢梁和钢柱之间。