压剪联合作用下高层建筑中加劲钢板墙的性能和设计方法

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钢板墙作为优秀的抗侧力构件,有着较高的抗侧刚度、极限承载力和良好的滞回性能,在现代建筑结构中有着越来越广泛的应用。国内外大多数设计规范中要求钢板墙仅用于抵抗侧向荷载,且应避免承受竖向重力荷载。然而,在实际工程当中,由于建设工期的限制和施工过程中结构稳定性的要求,钢板墙与边缘框架的最终连接安装往往无法等到上部结构全部完成之后进行。因此,钢板墙将不可避免的承受部分重力荷载,而压应力的出现将会削弱钢板墙的性能,可能导致钢板墙在使用阶段提前发生屈曲。通过焊接加劲肋可以提高钢板墙的刚度和屈曲应力。然而,大多数相关研究均采用了板条加劲肋,并未考虑加劲肋扭转刚度的影响,且以剪力作用下的滞回性能分析为主。为了明确加劲钢板墙在轴压和剪切作用下的弹性和弹塑性稳定以及加劲肋的抗弯刚度要求,本文通过理论分析和数值模拟等方法展开了一系列研究,主要工作内容如下:(1)分析了一侧非加载边存在扭转约束的四边简支板轴压弹性屈曲应力。研究了竖向加劲钢板墙的轴压弹性屈曲,考虑了区格宽高比、宽厚比、加劲肋数目和不同截面扭转刚度的影响。基于加劲钢板墙相对于未加劲钢板墙所提高的轴压弹性屈曲强度由加劲肋提供这一物理概念,推导了竖向加劲肋轴压弹性门槛刚度计算公式,并与有限元计算结果及其他文献的研究成果进行了比较。(2)分析了有限元中不同加载方式对四边简支板轴压屈曲后行为的影响。研究了竖向加劲钢板墙轴压弹塑性屈曲后行为,分析了竖向压应力在屈曲后的重分布以及随加劲肋抗弯刚度增大的变化,并考虑了闭口截面加劲肋扭转刚度的影响。结合有效宽度理论和加劲肋弹塑性屈曲应力,提出了竖向加劲钢板墙轴压弹塑性极限承载力计算公式,并与文献中的试验数据进行了比较。同时,分析了加劲肋材料屈服强度大于钢板墙的情况,并基于摇摆柱的概念提出了此时的加劲钢板墙极限承载力计算公式。此外,计算了给定区格板件的轴压弹性门槛刚度对应的加劲肋截面大小,与进行弹塑性分析使得轴压平均应力达到该区格板件弹性屈曲应力时的加劲肋的尺寸进行了对比,显示了进行弹塑性计算的必要性。(3)通过平衡微分方程推导了一侧加载边存在扭转约束的四边简支板轴压弹性屈曲应力,并与有限元结果进行验证。研究了横向加劲钢板墙轴压弹性屈曲,考虑了区格宽高比、加劲肋数目和扭转刚度的影响。基于受到水平平台梁支撑的平行压杆体系的弯曲屈曲理论和公式,提出了横向加劲肋轴压弹性门槛刚度计算公式。(4)通过数值模拟分析了宽板轴压屈曲后强度,在欧洲规范的基础上提出了改进公式。研究了横向加劲钢板墙轴压弹塑性屈曲后行为,同时考虑了闭口截面加劲肋扭转刚度的影响。基于受到水平平台梁支撑的平行压杆体系屈曲理论,提出了横向加劲肋轴压弹塑性门槛刚度计算公式。同时,对横向加劲钢板墙弹性屈曲与弹塑性屈曲后分析结果进行了比较。(5)分析了一侧或两侧边存在扭转约束的四边简支板剪切弹性屈曲应力。研究了竖向加劲钢板墙的剪切弹性屈曲,考虑了不同截面加劲肋扭转刚度的影响。在加劲钢板墙相对于未加劲钢板墙所提高的剪切弹性屈曲应力的基础上,提出了竖向加劲肋剪切弹性门槛刚度计算公式,并与其他文献中的结果进行了比较。(6)通过数值模拟分析了几何非线性弹性钢板墙剪切屈曲后抗侧刚度。对比了钢板墙与钢梁腹板的抗剪极限承载力。依据四边简支板的剪切弹塑性屈曲应力得到相对应的层间位移角。依据此位移角,研究了竖向加劲钢板墙的剪切弹塑性屈曲,分析了加劲肋扭转刚度的影响。根据加劲钢板墙相对未加劲钢板墙所提升的剪切弹塑性屈曲应力,提出了竖向加劲肋剪切弹塑性门槛刚度计算公式,并与弹性分析结果进行了比较。(7)分析比较了竖向加劲钢板墙的轴压和剪切弹性屈曲的门槛刚度。研究了竖向加劲钢板墙在压剪联合作用下的弹性屈曲,并给出了当加劲钢板墙达到压剪联合公式确定的弹性屈曲应力时对应的不同截面加劲肋的抗弯刚度。基于轴压和剪切弹性门槛刚度公式,提出了压剪联合作用下的加劲肋弹性门槛刚度相关公式。(8)依据压剪联合弹塑性屈曲应力相关公式,给出了不同轴压力作用下四边简支板达到剪切弹塑性屈曲应力时的位移角。将此位移角作为屈曲准则,研究了竖向加劲钢板墙压剪联合作用下的弹塑性屈曲,给出了不同荷载组合下加劲肋的抗弯刚度要求,并考虑了其扭转刚度的影响。在轴压弹性门槛刚度和剪切弹塑性门槛刚度的基础上,提出了竖向加劲肋在压剪联合作用下的弹塑性门槛刚度计算公式。(9)提出了一种新型横向空心钢管加劲的免承重钢板墙方案,通过横向空心钢管的弯曲变形来减小钢板墙承担的重力荷载。研究了新型加劲钢板墙的剪切和轴压弹性屈曲,并分别给出了横向空心钢管的抗弯刚度要求。分析了在不同轴压力作用下,新型加劲钢板墙的抗侧性能,并与相同条件下的未加劲钢板墙和普通横向加劲钢板墙进行了比较。
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