钢板剪力墙结构静力性能理论研究

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1、第十七届全国高层建筑结构学术会议论文2002年钢板剪力墙结构静力性能理论研究陈国栋郭彦林(清华大学土木系．北京100084)提要铡扳列／J端足多-岛层建筑钢结构新型的抗侧力结构形成，具有很『岛的承载力和延性。《高)；!l}》(JGJ99-98)规定r钢板墙的设计准则为剪切弹性屈曲应力不先于剪切屈服，该准则既习i能利用屈曲后强度也小能考虑抗震第二阶段的弹塑性性能。本文利用有限元法分析了三种钢板墙结构(非加劲板、十字加劲板和交叉加劲板)的弹性屈曲荷载采用以及初始几何缺陷和残余应力对铡板墙极限承载力的影响。通过对三参数(板高厚比、肋板刚度比和柱刚度)的研究，揭示了钢板墙破坏机理以

2、及对制板墙极限承载力起决定作用的三参数间的相互依赖关系，提出了以平均剪应变r=r。对戍的翦麻力f1为承载力极限状态设计准则，并给{“r铡板墙基于该准则的承载力计算公式和保证钢板端达到极限承载力的柱刚度闽值。芙键词钢板势力墙．弹性屈曲．极限承载力，设计准则．计算公式，柱刚度闽值1引言本文介纠了多高层钢结构体系中一种新型的抗侧力结构形式——钢板剪力墙结构。钢板剪力墙结构由钢框架平¨内嵌钢板通过焊接或栓接而成，起剑刚性构件的作刚，可应用]i新结构和加固结构中。钢板墙结构具有如下特点：白重非常轻，可减小地震作用降低基础费Hj：其11r州建筑面积小．能提供更大的建筑使用空问；钢板墙高

3、厚比为100～500，研究表明，当提供相同的水平刚度时，其耗钢量比纯刚架方案少；内嵌钢板墙只承受水平力作用，竖向力作_【；}j完全由周边的框架柱承担；很重要的是钢板墙屈曲后屈服(薄板)或初始屈服后届曲(厚板)还能继续承受荷载，使框架结构不仅有很好的延性，还能依靠钢材的塑性发展提供阻尼耗能能力；钢板墙的抗火性能要求低于相应的框架结构，钢框架结构的防火与抗火处理方法可应用于钢板墙结构。钢板墙按分类如下：按板高厚比分为厚板和薄板：按墙板是否设置加劲肋分为非加劲板和加劲板：按与框架的连接形式分为焊接与栓接。到目前为止，全球采用钢板剪力墙作为抗侧力结构的建筑共有二十几幢【3】，主要分

4、布在北美和日本的地震高烈度区。在美国，有代表性的两座新建筑物是德州达拉斯30层高的Hya廿RegencyHotel和宾州匹兹葆54层高的MellonBankCenter。在日本，全球第一座钢板剪力墙建筑是位于东京20层高的NipponSteelOffice，板高厚比为228～610：另一幢高层钢板墙结构是53层高的ShinjukuNomuraTower，板高厚比为251～513。我国44层的上海新陈嘲栋．男，i9669出生．博j：生，副教授·——417．——第十七届全国高层建筑结构学术会议论文2002年锦江饭店核芯筒也部分采用了钢板墙结构，其钢板厚达100mm。在这些钢板墙

5、结构设计中，均采用厚板或加劲钢板墙结构方案。美国钢结构设计规范AISC、欧洲钢结构设计规范ECCS和我国《高规》(JGJ99-98)141附录四中均规定钢板剪力墙结构的设计准则为钢板墙剪切弹性屈曲应力(加劲肋间的局部屈曲、框架梁柱间的整体屈曲)不先于剪切屈服。这种以弹性屈曲荷载为承载能力极限状态存在着两个问题：(1)不能充分利用板的屈曲后强度，造成钢板墙采用厚板或采用强大的加劲体系，导致剪力墙板结构经济性降低；(2)以弹性屈曲指标衡量结构进入弹塑性阶段的工作性能是不合理的，这是因为在抗震设计第二阶段，结构不仅要有足够的承载力，更要有足够的延性。所幸的是，WagnerpJ、B

6、aslerl71和PorterM’等学者对粱受剪腹板研究时发现，周边约束受剪板具有非常高的屈曲后强度，板的屈曲并不意味其丧失承载能力，屈曲后强度先后被ECCS和AISC和我国钢结构设计规范(GB50017)p1规范采纳，为梁腹板的屈曲后强度应用研究开辟了先河。本文以三种钢板剪力墙结构(非加劲板、十字加劲板和交叉加劲板)为研究对象(图2)，研究内容为：(1)弹性屈曲荷载，(2)单向荷载F钢板墙的初始几何缺陷汞1残余应力对钢板墙极限承载力的影响程度，(3)钢板墙屈曲后强度和相应的破坏模式等。根据理论研究成果，本文提出了钢板墙设计准则及相应的承载力计算公式，并给出了保证钢板墙达到

7、极限承载力的柱刚度闽值公式。本文的研究定义了三个主要参数，分别为板高厚比五，肋板刚度比口和柱刚度口。五=b／f，_=E1，／Db，p=F2E1。／A。fv《，其中，D为板的柱面刚度，，。A，、，，分别是柱的弹性惯性矩、截面面积和计算长度，其余符号含意详见圈l。上L

8、·!-Ia)非加劲板2弹性屈曲荷载矿№!!．一．皇丝一(b)十字加劫板图1三种形式的钢板剪力墙。l_垂!!．I■!!．J(C)交叉加劲板实践中t因为没有考虑初始缺陷和屈曲后强度的影响，将导致结构或构件没有考虑屈-——418———第十七届全国高层建筑结构学