第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 钢板剪力墙承载力与抗震性能研究 顾磊，陈宇，常延辉3 （1.哈尔滨工业大学深圳研究生院，广东深圳51800，2广东省建筑设计研究院.
广东广州510010：3.北京市煤气热力工程设计院有限公司，北 (C0001 提要：本文关注了加劲钢板剪力墙的屈曲特性和抗剪承载力，以及整体结构中钢板墙在地震作用下的响应特点 和抗震性能.
采用特征值屈曲分析，考察了影响钢板剪力墙屈曲承载力的各主要因素.
考虑材料和几何双重非线 性，对钢板墙的受剪屈服和届服后行为及其影响因素进行分析研究，并同时对比了薄板和厚板承载机制方面的区 别.
建立整体模型，通过反应谱方法、静力推覆分析、弹性和弹塑性时程分析法，探讨了钢板剪力墙抵抗地震作 用的塑性耗能机制和特性，充分体现该新型抗侧结构的抗震性能的新特点.
关键词：加劲钢板剪力墙：屈曲特性：抗剪承载力：塑性耗能 1引言 目前钢砼剪力墙是我国高层建筑中最为常见抗侧力结构形式，以其节约钢材，施工方便，符合我国国 情而被大量采用.
然而钢砼剪力墙刚度较大，通常会承担过多的水平荷载作用，钢砼剪力墙往往刚度较大 而强度不足，在罕遇地震作用下，会造成墙体的严重损坏，刚度退化，而地震作用向框架转移，加重框架 负担，抗震性能不尽合理.
钢板剪力墙最早出现于北美和日本的高震度地区，以其较大的初始刚度，大变 形能力和良好的塑性性能，稳定的滞回特性而逐渐受到重视.
2钢板剪力墙屈曲特性 屈曲特性的分析采用通用有限元软件ANSYS的EigenBuckling模块，计算模型假定如下：（1）考 虑上、下钢板对中梁的作用，假定梁的弯曲与轴向刚度为无限大：（2）为简化分析因素，梁、柱之间铰接， 不考虑框架的抗弯作用：（3）加劲肋不与框架梁柱连接，即加劲肋两端自由：（4）加劲肋在钢板两侧对称 布置：（5）梁、柱采用BEAM188单元，钢板、加劲肋均采用SHELL181单元，钢材假设为理想弹塑性材 料，屈服强度f=235MPa，剪切屈服强度y=135Mpa，分析模型简图如图1所示.
刚性梁 铰接 加劲脱 边柱 （）计算顿型简图 （b）有限元模型 图1分析模型图
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 加劲肋的布置主要考虑其自身尺寸与相互之间的间距两种因素，分别考虑竖向加劲肋和纵横加劲肋两 种形式钢板剪力墙，其中墙板的总尺寸为7.5mx3m（lxhg)，加劲肋间距的设置可见表1.
本文以肋板的外伸宽度与板厚的比值（bh）来表明加劲肋的强度，同时定义高厚比（i=hot）以区分 不同厚度的墙板，为考虑约束边柱对屈曲承载力的影响，设置了如表2所示的多种柱截面.
表1加劲钢板剪力墙肋布置参数 表2钢板周边柱截面参数 加劲肋 横助间距 竖肋间距 柱编 a/ho 截面尺寸 截面面积 惯性矩 形式 b (m) α (m) 号 H×Bx / (mm) A (mm²) I (m) 仅设置竖助 0.75 1/4 1 200×100×5.5/8 2716 1.84x10? 1.50 1/2 2 250×125×6/9 3766 4.05×10? 增设横助 1.5 2.25 5/6 3 350x175×7/11 6314 1.36x10* 增设两道横助 1.0 3.75 5/4 4 450x200×9/14 9670 3.35×10* 5 588×300×12/20 19250 1.18x10* 6 202x00$x059 32000 2.31×10° 2.1高厚比的影响 加劲肋钢板剪力墙的弹性屈曲承载力与高厚比密切相关，板厚决定了钢板墙的面外刚度，承载力 随板厚的增加面快速地提高，高厚比对屈曲承载力的影响可见图2.
400 140- 320- 1 -8 112- N/ 3 9-16 N/ EDN 6/=16 8 0-8 240- 0-2 84- -t/e 42 b -24 160- 5/40 56- 6 -32 28- 14 200 300 400500 600 200 300400500 高厚比 600 200 300400500 高厚比 高厚比 (a) α=0.75m mg[= (q) (c) a=2.5m 图2高厚比对加劲钢板墙屈曲应力影响曲线 可见图2，屈曲承载力随高厚比的增大迅速降低，对于薄板（i=400~600），屈曲承载力较低，设 置加劲肋后，屈曲承载力得到提高，但仍低于剪切屈服强度，可见加劲肋薄板更有使用价值.
随着加劲 肋间距的增加，其限制平面外变形的能力也逐渐减弱，曲线渐趋于重合，当竖肋间距为2.5m时，各曲 线基本一致.
2.2加劲肋的影响 定值后，其屈曲承载力不再有显著提高，此时失稳形式由整体完成向局部变形的过渡，承载力由加劲肋 区格之间的钢板局部屈曲承载力决定.
类似于工字钢梁腹板加劲肋的尺寸要求，对于仅设置竖向加劲肋的钢板剪力墙，本文建议取肋宽 与板厚比等于16（即b/t=16）时作其限值，对于采用相同肋板尺寸的纵横加劲肋墙板，该比值可取为13.
若比值超过限值，则不会明显提高承载力，反而会导致经济性不佳，本文研究采用肋宽与肋厚之比为 10（即b/t=10)的加劲肋板，可根据实际需要调整这一比值，但不可取值过大，而使肋板过柔而先于墙 板出现失稳，且应保证其调整后的加劲肋板刚度大致相等.
随着加劲肋间距的增加，其屈曲承载力快速地下降，针对仅设置竖向加劲肋的钢板剪力墙，当加劲 肋间距达到1.5m~2.5m左右时，即a/hg=0.5~0.83，可认为加劲肋的作用已经很小，因此在实际钢板剪 力墙设计中，对仅设置竖向加劲肋的情况，肋间距宜小于钢板高度的1/2，且不应大于5/6.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 180 18 e5 140 12 120 →F1-4 100 -1- 04 40 9 10 20 30 40 50 板厚 10 20 40 50 助宽/板厚 (a) x=600 a=1.5m (b) 3.=200 a=1.5m 38 4.2 36 W 4.0 38 36 3.4 28 3.2 26 30 102030405060 24 10 2030 40 助定版厚 (c) 入600 a=3.75m (d) 入200 a=3.75m 图3竖肋加劲钢板剪力墙屈曲承载力 160 640- 128- 3-16 b-8 512 3-2 b/r-16 -32 96- b-4) -F- b/0 32 64 256 32 3E 128- 2 2 3 加线助间斯/m 2 加效助间距/ m 加始助间胞/m (a) i=600 (b) i=400 (b)=200 图4肋间距对加劲钢板墙屈曲应力影响曲线 2.3约束边柱的影响 梁、柱作为边缘构件，对内嵌钢板起着约束作用，面屈曲承载力正是和钢板的约束条件密切相关的， 此外钢板屈曲后拉力场的形成和发展，更需要边缘构件具有足够的强度和刚度，边柱对屈曲承载力的影 响可见图5.
由图5可知，屈曲承载力随着约束边柱刚度的增加而提高，同时注意到，对于弱肋情况，即图5 中肋宽与板厚比为8的情况下，采用强柱并不能显著提高屈曲承载力，承载力变化呈水平线或斜率较小 的直线，此时钢板屈曲承载力较低，承载力由钢板自身的面外刚度决定，属于整体屈曲，因此在实际的 钢板剪力墙设计中，应当优先考虑采用“强肋”，而后保证“强柱"的方法来提高屈曲承载力.
图6说明了肋间距与柱刚度之间的关系，高厚比入小，即板厚越大，则强柱对承载力的提高作用更 明显，相对于薄板，厚板可以有较大的的上升空间.
加劲肋间距的增加并不会明显改变该趋势，但提高 程度将会有所下降.
当间距等于2.5m（a/h0=5/6）时，承载力提高程度已大为降低，最大提高幅度不超过 7%，因此可认为此时柱刚度对承载力的影响作用可忽略.
综上所述，约束边柱对墙板屈曲承载力的提
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 高，必须以加劲肋的强度和间距配置能够有效使得墙板面外位移得以限制为前提条件.
70 270 F09 240- 180- 3/-15 -a/-8 -b-1 b24 150- / a/21 2 3/r 20 90- 3 5 柱编号 杜编号 (a) i=600 α=0.75m (b) ≥=300 α=0.75m 165 66- 150- b-[6 120- -3 9-24 105- 4 b-12 a a-32 柱编号 柱编号 (c)=300 α=1.5m (d) i=200 α=1.5m 图5的束边柱对加劲钢板墙屈曲应力影响曲线 0.28 0.014 0.7 =9 0.24 0.012 06 g 0.20- 0.4- 0.008 e 0.08- 0.004 0.0- 2 3 0.00 0.00 柱编号 柱编号 柱编号 1 (a) a=0.75m (b) a=2.5m (c) a=3.75m 图6不同肋间距下柱刚度对钢板境屈曲应力影响曲线 2.4不同加劲钢板墙 将采用不同的加劲肋设置方式的屈曲承载力进行总结，在加劲肋强度已经能保证出平面位移限制效 果的前提之下，对比分析不同加劲肋形式墙体的屈曲承载力，以判断加劲肋形式采用的最佳条件，三种 加劲形式的计算结果如图7、图8所示.
由图7可见，当竖向加劲肋间距小于钢板高的0.25时（as0.25h0)，平面外变形已经受到较好限制， 额外地设置横向加劲肋，并不会提高承载力.
随着竖向肋间距的增加，横向加劲肋的作用开始显现，当 竖向肋间距a=0.25h0~0.5h0时，设置一道横肋可获得最多12.5%的提高，而设置两道横肋可提高承载力 50%，并且提高程度对薄板的效果将大大折减，因此当竖向肋间距在此范围内时，不建议单设置一道横 肋，承载力提高效果不明显，首先应当设置两道横肋，其次可采取提高板厚的方法.
当竖向肋间距 a0.5h，建议采用增设横肋加劲形式，可获得较明显的承载力提高.
不同板厚条件下竖肋间距对承载力的影响可见图8，当竖向加劲肋间距增大时，未设置横肋的钢板
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 剪力墙承载力快速降低，而设置横肋的钢板墙，在本文推荐的竖肋间距范围内，也即a/h0≤0.5时，两道 横肋和一道横肋的钢板墙仍分别保持着1/2和1/4的承载力，表明设置横肋能有效延缓承载力随竖肋间 距增加而减小的趋势，横肋数量的增加，延缓更有效，尤其是设置两道横肋的钢板剪力墙，当竖间距大 于板高的1/2之后，承载力无显著下降，此时可增大竖肋间距，减小竖肋数量，提高经济性.
同时由图 中可见，即使钢板厚度不同，当对加劲肋进行相同的间距加密处理，其承载力提高程度大致相等，也从 侧面说明了屈曲承载力与肋间距基本上呈线性关系.
640 120- 512 256- AMN/ 384 N 61 256- 128 821 面 64 高原比 200300490 500 高厚比 600 (a)/h=1/4 (b)a/hμ=1/2 100 280- 240 224 UN/ 180- 168- 120- 112- 60 56- 200 300 400 500 299 100 400 500 高厚比 高厚比 (c)/ty=5/% (d) a/hy=5/4 图7加劲肋形式对不同厚度钢板屈曲承载力的影响曲线 150 仅您助 MN/ 应力/ 90- 32- 30- 1/4 1/2 5/6 5/4 1/4 12 5/6 5/4 ea aa (a) i=600 (b) i=400
