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天津津塔钢板剪力墙结构体系浅析 0 钢板剪力墙的概念 20世纪70年代，钢墙结构是一种新型的抗侧结构体系。钢板剪力墙由内嵌钢板、竖向边缘构件(柱)和水平边缘构件(梁)构成,其整体受力性能类似于底端嵌固的竖向悬臂梁,其中竖向边缘构件相当于梁翼缘,内嵌钢板相当于梁腹板,水平边缘构件则可以近似等效为横向加劲肋。内嵌钢板可采用无加劲肋和有加劲肋的构造形式。无加劲的钢板剪力墙在强震作用下可以充分利用钢板的屈曲后强度,并具有很好的延性和耗能能力。加劲的钢板剪力墙则能够限制钢板的平面外屈曲,从而提高结构的屈曲承载力,有助于增强结构在风以及小震作用下的抗侧移刚度并方便施工。与传统的钢框架或者钢框架加混凝土剪力墙结构体系相比,钢板剪力墙结构具有厚度薄、自重轻、建造速度快和延性好等优点。已有的研究成果以及工程实例表明,钢板剪力墙是一种非常具有发展潜力的抗侧力体系,尤其适用于高烈度地震设防区的高层建筑以及抗震加固。 目前,我国JGJ 99—98《高层民用建筑钢结构技术规程》以及美国FEMA 450(1995)、AISC 341-05(2005)、加拿大CAN/CSA(S16-94)等多部规程均给出了钢板剪力墙的设计方法。其中,美国及加拿大规程基于Kulak等人的研究成果,采用板条模型(strip model)计算钢板剪力墙的抗侧承载力。在板条计算模型中,钢板被等效为一系列铰接在边缘构件间的条带,每个条带只能够承受拉力并完全忽略其抗压能力。 例如,FEMA 450所规定的钢板剪力墙名义受剪承载能力为: Vn=0.42FywtwLcfsin2α(1)Vn=0.42FywtwLcfsin2α(1) 式中,Fyw、tw分别为钢板的屈服强度和厚度,Lcf为竖向边缘构件之间的净距离,α为钢板条带的角度,按下式计算: tan4α=1+twL2Ac1+twh(1Ab+h3360IcL)(2)tan4α=1+twL2Ac1+twh(1Ab+h3360ΙcL)(2) 式中,h为水平边缘构件中心线间的距离,Ab、Ac分别为水平和竖向边缘构件的横截面面积,Ic为竖向边缘构件的截面惯性矩,L为竖向边缘构件中心线间的距离。 以上两式可用于计算极限状态时钢板剪力墙的受剪承载力,但并不完全适用于底层采用刚度很大的钢管混凝土柱且受较大弯矩作用的情况。同时,对于钢板剪力墙与钢管混凝土柱相结合的结构形式,其抗侧移刚度和滞回能力的确定,也没有较为成熟可靠的方法。 正在建设之中的超高层建筑——天津津塔的抗侧力体系由外伸刚臂连接的周边延性抗弯框架和内部的钢板剪力墙核心筒所构成。其中,钢板剪力墙首次应用于我国超高层建筑之中,也是目前已知的世界最大规模的钢板剪力墙结构。过去30多年来,各国研究人员对钢板剪力墙进行了大量研究,提出了相关的计算方法和构造措施,但研究对象或试验模型的结构形式多为单层单跨或多层单跨,边缘框架多采用型钢柱,与津塔钢板剪力墙的结构形式有所不同。为研究津塔钢板墙在往复荷载作用下的滞回性能和破坏形态,验证钢板剪力墙的三阶段设计原则,并为选择合理的构造形式提供依据,在有限元数值分析的基础上,完成了2片钢板剪力墙模型的低周往复加载试验。 1 钢板剪力墙模型 钢板剪力墙模型以实际结构底部核心筒的剪力墙为原型,取5层2跨,缩尺比例为1∶5。分析对象包括非加劲钢板墙模型(SPSW1)和加劲钢板墙模型(SPSW2)。为分析钢板厚度对结构性能的影响,SPSW1分别计算钢板厚度为5mm和3mm两种情况,SPSW2仅计算钢板厚度为5mm一种情况。 采用有限元软件MSC.MAC对钢板剪力墙模型进行了数值模拟。有限元模型中的钢板、钢梁和钢管均采用4节点薄壳单元(thin shell element),钢管内的混凝土采用实体单元(brick element)。钢材采用弹塑性强化本构模型,弹性模量取2.06×105MPa,泊松比为0.3。根据模型试验前完成的材料试验,钢板墙屈服强度取fy=265MPa,钢管屈服强度取fy=420MPa,钢梁屈服强度取fy=350MPa。混凝土采用有限元程序提供的混凝土弹塑性本构模型,抗压强度及模量均按C80混凝土取值,即fc=35.9MPa,Ec=3.8×104MPa。有限元模型如图1所示。 1.1 钢板墙屈曲模型 通过特征值屈曲分析可以得到结构的特征值屈曲荷载和屈曲模态。特征值屈曲荷载是在不考虑缺陷情况下的理论解,比结构的实际屈曲荷载偏大。非线性屈曲分析时可根据特征值屈曲分析得到的屈曲模态来施加相应的初始缺陷,然后在考虑大变形效应的情况下进行非线性求解以得到屈曲荷载。钢板剪力墙的屈曲模态主要受钢板高厚比的影响,对于本文的试验,层高最大的第2层的钢板剪力墙最容易发生屈曲。 模型SPSW1未设置加劲肋,各层钢板墙在竖向荷载下的屈曲应力为16～19MPa。设置加劲肋的钢板