（水工结构工程专业论文）内藏钢板支撑剪力墙受力性能的分析研究.pdf

牛北水利水i 乜导院坝k 学位论文 摘要 本文介绍了内藏钢板支撑剪力墙这种新型抗侧力支撑体系的特点及性能，通 过对其弹性阶段受力性能的有限元分析，指出该构件通过外包混凝土对内藏钢板 支撑的约束作用，可以大大提高其稳定性及刚度，是一种有很大发展潜力的抗侧 力体系，将会在实际工程中得到广泛应用。 通过对其屈服前刚度的有限元分析，并结合试验资料对比分析，对高层民 用建筑钢结构技术规程( j o j9 9 - 9 8 ) 附录中内藏钢板支撑剪力墙构件屈服前 刚度计算公式进行了验证，取得了较为理想的结果。通过回归分析，提出了内藏 钢板支撑剪力墙构件屈服前刚度的修正计算公式，可为规程修订提供参考。 对内藏钢板支撑剪力墙的构造措施进行有限元分析，提出了相应的改进方 法，最后指出了进步研究的方向。 关键词： 高层钢结构；内藏钢板支撑剪力墙：有限元分析；试验验证：屈服前刚度 内被制扳支撑翦力端受力性能的分析母f 究 a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c eo fs t e e lp l a t eb r a c ep r e c a s t e d ins h e a rw a l l ，an e wt y p eo fl a t e r a lf o r c er e s i s t l u gb r a c es y s t e m ，i s c o n d u c t e d ，b yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so nw o r k i n gb e h a v i o ri ni t se l a s t i c s t a g e ，i ti sp o i n t e do u tt h a tt h eb r a c es y s t e mi 8t h ek i n do fl a t e r a lf o r c e r e s i s t i n gs y s t e mw i t hag r e a td e a lp o t e n t i a l ，f o rr e s t r i c t i o ne f f e c to f c o n c r e t ew a l lv e r s u ss t e e lp l a t eb r a c ec a ne n h a n c ei t ss t a b i l i t ya n d s t i f f n e s sg r e a t l y s oi tw i l l b ep u ti n t oe n g i n e e r i n g sw i d e l y b yf i n it ee l e m e n ta n a l y s i so nn o n y i e l d e ds t i f f n e s sv se x p e r i m e n t d a t a ，n o n y i e l d e ds t i f f n e s sf o r m u l ao fs t e e lp l a t eb r a c ep r e c a s t e di n s h e a rw a l li nt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o nf o rs t e e ls t r u c t u r eo f t a l l b u i l d i n g s ( j g j9 9 9 8 ) a p p e n d i xi st e s t e d ，a n di d e a lr e s u l t sh a v e b e e n o b t a i n e d b yl i n e a r i t yr e g r e s s i o na n a l y s i s t h em o d i f i e df o r m u l ai s c o n c l u d e d ，w h i c hp r o v i d e sl a t e rr e s e a r c ha n dt h eb e i n g r e v i s e d s p e c i f i c a t i o nw i t hr e f e r e n c e b yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so nc o n f o r m a t i o nm e a s u r eo fs t e e p l a t e b r a c ep r e c a s t e di ns h e a rw a ll ，i m p r o v e dm e t h o d sa r eb o u g h tf o r w a r d f i n a l l y ，d i r e c t i o n so fr e s e a r c ha r ep o i n t e do u ti nf u t u r e k e yl v o r d s ： t a l ls t e e lb u il d i n g e l e m e n ta n a l y s i s ； ：s t e e lp l a t eb r a c ep r e c a s t e di ns h e a rw a l l ；f i n i t e t e s to fe x p e r i m e n t ；i o n y i e l d e ds t i f f n e s s n 独立完成与诚信声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则本人愿意 承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签字) ：孑锰薨参 及州年占月，日 华北水利水电学院砸士学位论文 l 绪论 1 1 国内外发展方向 1 ，1 1 引言 高层建筑是经济发展和科技进步的产物，城市人口集中、用地紧张及商业竞争的激 烈化促使了高层建筑的出现和发展。我国内地高层建筑自2 0 世纪5 0 年代出现，发展于 2 0 世纪6 0 - 7 0 年代期间，到1 9 8 3 年底。全国已建8 层以上的建筑近千幢，但是，出于 经济和技术的原因，其中没有兴建一幢高层钢结构建筑。随着我国改革开放政策的实施 和推进，近二十几年以来，我国的经济建设工作取得了突飞猛进的发展，从而促进了我 国钢产量的不断增长。在1 9 9 6 年，我国的钢产量已经超过1 亿吨跃为世界第一位。1 9 9 8 年我国钢产量已达l _ 1 4 6 亿吨，而且每年增产3 0 0 万吨。钢产量的增长为我国发展建筑 钢结构事业创造了极好的时机。1 9 8 3 年以后，由于外资工程的兴建，建筑用钢材得到快速 发展，高层钢结构建筑开始在我国出现。到1 9 9 0 年底，在上海、北京、深圳建成了l 1 幢高层钢结构建筑。1 9 9 3 年开始我国形成了新的高层建筑钢结构建设高潮，特别是随着 上海浦东开发区的建设，上海高层建筑钢结构的发展尤其迅速，成为我国高层钢结构建 设最集中的地方。至1 9 9 6 年底，已建和在建的钢结构和钢一混凝土结构已达3 0 幢。1 9 9 9 年建成的上海金茂大厦( 8 8 层、高3 6 5 m ，见图卜卜1 ) 及即将建成的环球金融中心( 9 5 层、 高4 6 0 m ) ，将成为上海的标志性超高层建筑，并使我国的高层建筑进入世界前列“3 。 迄今为止，我国建造的高层钢结构建筑在高度和规模方面都上了新的台阶，无论是 在高度方面还是在数量方面，都走在了世界的前列。因此，为了推动我国建筑钢结构特 别是高层建筑钢结构的迸一步发展和应用，我们有必要对国内外多高层建筑钢结构的发 展及应用概况进行了解。 1 1 2 国内发展方向“ 综观我国钢结构的发展情况，以下几方面因素促进了我国建筑钢结构的发展：在 国家技术政策方面。我国从2 0 世纪5 0 6 0 年代的限制采用钢结构，到上世纪改革开放 后的合理采用钢结构，直到1 9 9 7 年1 1 月建设部发布的中国建筑技术政策( 1 9 9 6 2 0 1 0 年) 中明确提出发展建筑钢材、建筑钢结构和建筑钢结构施工工艺的具体要求，使我国 长期以来实行的“合理用钢”政策转变为“积极用钢”政策，为建筑钢结构的进一步发 展提供了强有力的条件；在设计理论和建筑标准方面。最早的设计方法是把钢结构构 件看作完全弹性体，进行弹性分析，由材料的容许应力乘以安全系数，这种方法称为“容 许应力设计法”。随着塑性力学的发展和研究的深入，以构件的极限承载力为依据，要 求荷载乘以安全系数后不大于该极限承载力，这种方法为“破损阶段法”。后来随着研 究的不断深入，发展到现在的“概率极限状态法”。当然，随着设计理论的发展，我国 内藏钢板支撑剪力墙受力性能的分析研究 相应地制订了一系列建筑标准：碳素结构钢 ( g b t 7 0 0 一1 9 8 8 ) 、低合金高强度结 构钢( g b t 1 5 9 1 1 9 9 4 ) 、热轧不等边角钢( g b t 9 7 8 8 1 9 8 8 ) 、结构用无缝钢管 ( c , b t 8 1 6 2 1 9 9 9 ) 、碳钢焊条( g b t 5 1 1 7 - 1 9 9 5 ) 、钢结构用高强度大六角头螺栓 ( g b t1 2 2 8 1 9 9 1 ) 、钢结构设计规范( g b 5 0 0 1 7 - 2 0 0 3 ) 、高层民用建筑钥结构技 术规程( j c j 9 9 1 9 9 8 ) 、网架结构设计与施工规程( 7 g j 7 1 9 9 1 ) 等钢材、设计、施 工及验收方面的标准，为建筑钢结构的发展提供了可操作性的依据：在材料发展方面。 我国1 9 9 6 1 9 9 9 年的钢产量已连续突破1 亿吨，1 9 9 8 年钢产量达1 1 4 6 亿吨，约占世界 总钢产量的1 3 强；我国的钢材产量在1 9 9 7 1 9 9 9 年连续3 年超过亿吨，1 9 9 8 年的成品 钢材为1 0 7 亿吨。无论在钢材的产量、品种( 型材、管材和板材等) ，还是在钢材的材 质( 普通钢、低碳钢及低合金钢等) 方面，我国都为建筑钢结构的应用发展提供了比较 充分的条件；在市场环境及需求方面。近几年由于钢材产量的持续攀升，使得钢材资 源供给充裕，买方市场的格局稳定，这样使得钢材价格下跌，有利于促进建筑钢结构的 应用和发展；另外，由于设计理论及结构形式的不断改进，使得建筑钢结构的用钢量明 显下降，这样大大增强了建筑钢结构的市场竞争能力。因此，进入新世纪，建筑钢结构 已深入到社会各个领域，并以特有的现代化建设姿态展示于世。 建筑钢结构作为一种发展空间很大的结构体系，其主要的优点有：力学性能方面。 钢材的机械性能比较符合力学计算的假定，是比较理想的弹性材料，其受力状态与力学 计算的结果比较吻合。同时，钢材具有良好的塑性，对动荷载的适应性好，这样，在地 震荷载作用下通过钢结构的弹塑性变形能够吸收较多的地震能量，因而可以大大提高钢 结构的抗震性能；建筑作为国家支柱产业，建筑钢结构的发展对冶金工业、机械工业、 建材工业及交通运输业等相关产业具有相当大的拉动作用，大大促进了这些行业的发 展。当然，钢结构还具有目前普遍使用的混凝士结构所没有的优点：可干式施工，节 约用水，施工占地少，产生的噪音小、粉尘少；由于自重减轻，基础施工取土量小， 对土地这宝贵资源破坏小；大量减少混凝士的使用和砖瓦的使用，减少了城市周边的 开山挖石，有利于环保：建筑使用寿命终期，结构拆除产生的固体垃圾少。从目前来 看，钢结构建筑是对城市环境影响最小的一种结构之一，在西方已被广泛采用特别是美 国、日本、西欧等，因而被称为“绿色建筑”。我国为发展钢结构也制定了一系列技术 规范及政策。1 9 9 8 年1 0 月，建设部发出关于建筑业进行推广应用1 0 项新技术通知， 通知中第8 项新技术为钢结构技术，其主要内容有：高层钢结构技术、空间钢结构技术 等。这表明我国对高层钢结构的发展非常重视。并且，早在1 9 8 5 年建设部和上海市分 别将“高层建筑钢结构设计理论”列为“七五”攻关项目，组织了二十多家单位对2 9 个课题进行研究，并于1 9 9 8 年1 2 月编制施行高层民用建筑钢结构技术规程。 2 兰些垄型查塑兰堕堡土兰丝兰兰一 表1 1 1 t a b 1 一l 一1 我国高层建筑钢结构构成分析 c o m p o s i n ga n a l y s iso fc i v i l s t e e l s t r u c t u r eo ft a l ib u i l d i n g 高层建筑 钢结构和钢混 钢结构和钢混凝1 二 总数 凝士建筑总数 建筑所r l 比例 1 9 8 0 年以前 o o 至1 9 9 0 年( 高度超过1 0 0 米的建筑) 8 7 8 9 至1 9 9 6 年( 高度超过1 2 0 米的建筑) 1 0 0 1 4 1 4 资料表明，我国的高层建筑钢结构虽然起步较晚，但因其有利的发展环境及自身的 优点，近2 0 年来发展速度较快，见表卜1 一l 。我国主要高层钢结构建筑发展概况如表 1 一卜2 所示。 表l 一1 2我国高层建筑钢结构概况 t a b 1 1 2 g e n e r a ls i t u a t i o no fc i v i ls t e e ls t r u c t u r eo ft a l lb u i l d i n g 高度 层数 工程 ：f 程名称地点 时间 结构形式 ( m ) 地上地下 阶段 k 寓宫饭店北京 9 0 92 521 9 8 3纯钢框架使用 钢骨混凝土框架一 乡格里拉饭店 北京 8 2 72 421 9 8 6使用 钢筋混凝士核心筒 钢框架钢支撑 京城大厦 北京 1 8 25 241 9 8 5使削 ( 外包混凝士) 钢骨混凝土框架一 帝王火厦深圳 2 9 4 16 8 31 9 9 6使用 钢筋混凝土核心筒 铜框架一带边框钢筋 京，1 中心 北京 2 0 8 5 4 31 9 9 0使用 混凝土剪力墙 外框钢结构一 深圳发展中心深圳 1 6 54 8 21 9 8 7使用 钢筋混凝土核心筒 外框钢骨混凝士柱及 使蹦 金茂火厦 上海3 6 58 8 3 1 9 9 9 钢柱一钢筋混凝土核 心筒 外框钢骨混凝土枉及 在建 环球金融中心上海 3 9 69 54 钢柱一钢筋混凝士核 心筒 世界金融大厦上海 1 8 9 4 6 3 1 9 9 6钢框架一筒体使用 上海世界广场 上海1 6 54 231 9 9 6 钢框架钢支撑 使用 新金桥大厦上海 1 6 74 221 9 9 6 钢框架一简体使粥 内藏钢板支撑剪力墙受力性能的分析研究 上海国贸中心上海1 3 43 721 9 9 0 钢框架一钢支撑 使_ | _ j 外框钢结构一 云顶花园 天津 1 6 54 32 在建 钢筋混凝十核心筒 钢与混凝土混合 中国银行大厦香港3 6 87 81 9 8 8 使用 结构 另外，1 9 9 3 年由东帝士集团兴建于台湾高雄市的国际广场，8 5 层高3 3 1 米，是台 湾地区代表性的钢结构高层建筑。台湾地区正在建设或设计中的1 0 3 层的高雄亚洲企业 中心和1 0 1 层的台北市国际金融中心，将把台湾地区的高层钢结构设计和施工水平推向 一个新的高度。 由表l 一1 一l 、表卜1 2 可知：从1 9 8 3 年到1 9 9 6 年期间，我国高层钢结构建筑发 展速度很快；从北京长富宫饭店到上海环球金融中心的建设，高层钢结构建筑在数量 和高度上不断有新的飞跃，并且在高度方面已走在世界各国的前列；钢框架一钢筋混 凝土核心筒、巨型钢框架一剪力墙在高层钢结构中应用较多，表明在我国，仍然偏好于 把传统的钢筋混凝土剪力墙或核心筒作为抗侧力体系；钢框架一支撑体系受到一定程 度的重视。尤其值得注意的是，钢框架一钢支撑( 外包混凝土) 结构体系是一种性能优 异、很有特色的新型抗侧力体系( 详见1 2 2 钢框架一支撵体系) 。1 9 8 5 年由日本清水 建设株式会社设计的北京的京城大厦( 地上5 2 层，高1 8 2 米) ，就是采用内藏钢板支撑 剪力墙( 即外包混凝土的钢支撑) 作为抗侧力体系的高层钢结构建筑。 在高层建筑中，起主导作用的是水平载荷，因此，在高层钢结构建筑中，抗侧力体 系作为至关重要的设计环节，一直是被研究的重要课题。关于作为抗侧力构件的中心支 撑和偏心支撑的研究较多，取得了不错的实际应用效果。但是，具有很大发展空间的抗 侧力构件内藏钢板支撑剪力墙( 已写入高层民用建筑钢结构技术规程( j g j9 9 9 8 ) 附录五) 的发展却比较缓慢，国内关于这方面的试验研究不仅起步较晚，而且非常少， 至于这方面的有限元分析则尚属空白，亟待大的进展。 1 1 3 国外发展方向h ” 根掘有关文献统计，在全世界1 0 0 幢( 至1 9 9 8 年) 最高建筑物中，全钢结构有5 8 幢，钢与混凝土混合结构有2 6 幢，两项合计占总数的8 4 ，钢筋混凝土结构仅占1 6 ： 世界1 0 大最高建筑物中，要么是全钢结构，要么是以钢结构为主的混合结构。由上可 知，高层建筑特别是超高层建筑，最适合的结构类型应是钢结构或以钢结构为主的混合 结构或组合结构，这充分说明了该结构类型具有广阔的发展前景。世界上目前已经建成 的有代表性的高层钢结构建筑如表1 _ 1 3 所示。 4 一 望! ! 查型查皇兰堕塑! ：兰些兰兰一 表1 一卜3 t a b 卜l 一3 国外高层建筑钢结构概况 g e n e r a ls j t u a t i o no fo v e r s e a ss t e e ls t r u c t u r eo ft a l l b u i l d i n g 高度 i 程 r 程名称地点 层数时间 结构形式 ( m ) 阶段 芝加哥家庭保险公司大楼 美国5 5 l o1 8 8 6铸铁框架 雷特大楼美国 1 8 8 9钢架一斜杆交撑体系 纽约市政府大楼 美国 2 4 1 9 1 0 钢架一斜杆支撑体系 使用 岛尔窝斯大楼美国 2 4 4 6 0 1 9 1 3钢支撑一框架体系 使 ； j 第一威斯康星大厦美国 4 2 1 9 1 3 钢支撑一框架体系 使用 华尔街4 0 大厦美国 2 8 3 7 0 1 9 3 0不详 使用 纽约帝国大厦美国 3 8 11 0 21 9 3 1不详 使瑚 美卅【国际大厦 美国2 9 06 61 9 3 2不详使用 约翰考克大厦美国 3 8 41 0 01 9 6 9钢内筒一外桁架俺使用 纽约世界贸易中心美国 4 1 71 王o1 9 7 2 箭中篱结构体系 使用 芝加哥西尔斯犬覆 美国4 4 3l l o 1 9 了o 束筒结稀体系 使用 纽约华旗中心美国 2 7 95 91 9 7 7不详使用 国际通讯中心日本 3 21 9 7 4不详使用 横滨标志大厦 日本2 9 67 31 9 9 3钢框架使用 东京市政厅大厦 日本2 4 34 81 9 9 l 钢巨型框架 使用 刚光6 0 大厦日本2 2 66 01 9 7 8钢框架一带缝剪力墙使用 新宿中心火厦日本2 1 65 41 9 7 9铜框架一钢支撑使片= | 新宿二井大厦日本2 l l5 51 9 7 4 钢框架一带缝剪力墙使i f ；| j 5 内藏铡板立撑鲍力墙受力性能的付析研究 取塔石油大厦马来珏亚4 5 09 51 9 9 7钢框架简体使州 海外联合银行 新加坡 2 8 06 41 9 9 0钢巨型框架使用 保险公司大厦韩国2 3 36 31 9 8 6钢框架使t 【；l i 贸易中心大厦韩国 2 2 75 41 9 8 5 钢框架使州i 从表卜卜3 中可以看出，2 0 世纪初，世界上高层钢结构建筑得到了迅猛发展。自此 以后，钢结构的抗侧力体系由纯钢框架结构体系进一步发展到钢框架一剪力墙结构体系、 钢框架一支撑结构体系、钢一混凝士( s r c ) 结构体系、钢筋混凝土核心简体系等。在北 美和西欧，高层建筑钢结构的发展只是近3 0 年的事情。2 0 世纪年代以来亚洲的高层 建筑发展也十分迅猛，目前世界上最高的1 0 0 幢高层建筑中，约有3 0 幢在亚洲，主要 分布在中国、日本、马来西亚、韩国和新加坡等地，且主要为纯钢结构或者钢一混凝土 混合结构。 | ! | 1 一卜l 金硬大厦 图卜l 一2 美国约翰考克大厦 困l 一1 3 美国西尔斯大厦 f i g l 一卜lj i “”。b u i l d i n g f i g 卜卜2j o h nh a n c o c kc e n t e r f i 虽卜1 3 s e a st o w e r 在美国，于1 8 8 6 年建成了世界上第一幢近代高层建筑一芝加哥家庭保险公司( h o m e i n s u r a n c e ) ，i o 层，5 5 米高，采用钢框架结构体系。自此到1 9 世纪末，高层钢结构建 筑的高度超越了1 0 0 米，于1 8 9 8 年建成了高1 1 8 米的纽约p a r kr o w 大厦。2 0 世纪初， 美国的高层钢结构建筑大量建成，美国在高层建筑的数量、高度方面都居于领先地位。 6 兰! ! 查型查坐堂堕蟹主兰笪丝三 到二次大战前，在美国高度超过2 0 0 米的钢结构建筑有近1 0 幢，采用的结构形式有钢 框架、钢框架一支撑、钢框架一剪力墙等。在2 0 世纪5 0 一7 0 年代期间，建筑高度和结构 形式都有了新的突破，框架一简体结构和简中筒结构、成束筒结构成为突破新高度的主 要手段。纽约世贸中，0 采用了筒中筒结构( 高4 1 7 米) ，约翰考克大厦( 如图卜卜2 ) 采用了桁架筒结构( 高3 8 4 米) ，西尔斯大厦( 如图卜卜3 ) 采用了成束筒结构( 高4 4 3 米) 。2 0 世纪8 0 9 0 年代，美国的高层建筑虽然没有新的突破，但在酝酿着更高的建筑。 在亚洲国家中，高层建筑钢结构发展较快、数量较多的是日本。但是，由于日本属 地震频繁区域，二战后曾规定地震区的建筑物高度一般不超过3 1 m ，因而发展比较缓慢。 随着在抗震领域取得的突出进展，日本于1 9 6 4 年废除了建筑物高度不得超过3 l 米的限 制，予1 9 6 8 年首次建成了高3 6 层的霞关大厦，以后又陆续兴建了5 0 幢超过1 0 0 米的 高层建筑，2 0 世纪7 0 8 0 年代在高层建筑钢结构方面有了飞跃性的发展，于1 9 7 8 年建 成了同本最高的东京阳光大厦。进入2 0 世纪9 0 年代后，日本开始研究设计高度超过5 0 0 米的建筑方案，一些更高的建筑也在进行可行性研究。在日本，超过1 0 0 米的建筑几乎 全部采用钢结构，采用的抗侧力体系有钢框架、钢框架一剪力墙和钢框架一钢支撑( 外包 混凝土) 等。对于钢框架一钢支撑( 外包混凝土) 结构体系，日本学者通过较系统的研 究和分析建立了这种抗侧力体系的设计方法，并大量应用于工程实际中，取得了良好的 经济效果。相对于此，欧美些国家对这种抗侧力体系的研究相对较晚。 从上述可知，高层钢结构建筑的发展与抗侧力体系密不可分，抗侧力体系由钢框架、 钢框架一剪力墙发展到钢框架支撑体系( 筒结构可看作是支撑体系的发展形式) ，促使 钢结构建筑的高度不断攀升，特别是钢框架一支撑这种抗僦力体系，由于其重量轻、侧 向刚度大，在高层尤其是超高层钢结构建筑中的应用越来越广泛。 1 2 高层建筑钢结构中抗侧力体系的类型及性能 1 2 1 钢框架体系“2 。” 钢框架结构体系与混凝士框架结构体系一样属于柔性结构体系，受层间位移的限 制，而层f 司位移主要取决于粱、柱刚度，故在设计中起控制作用的是结构的刚度。在侧 向力作用下，节点域在非弹性变形阶段会引起很大的塑性交形，导致节点过早破坏，起 不到节点耗能的作用。为了提高结构的抗侧能力，我国现行钢结构设计规范 ( g b 5 0 0 1 7 - 2 0 0 3 ) 要求控制强柱弱梁，加强节点构造措施，因而节点设计较复杂且成关键 因素。为了实现强柱弱梁的设计概念，使塑性铰出现在梁端丽不是柱端，高层民用建 内藏铡板支撑剪山埔受力性能的分析研究 筑钢结构技术规程( j g j9 9 9 8 ) ( 以下简称高钢规) 第6 3 3 条给出了柱截面 的塑性抵抗矩和梁截面的塑性抵抗矩应满足的条件式： w d 。( f y c - - n a 。) w p b f y b ( 卜2 一1 ) 在罕遇地震作用下不可能出现塑性铰的部分，框架柱应满足： n 4 0 6 a 。f ( 卜2 2 ) 在实际工程中，式( 卜2 2 ) 比较容易满足；式( 卜2 1 ) 往往难以得到普遍满足， 特别是在由钢框架结构组合而成的框简或筒中简结构体系中更是如此。若为此加大柱截 面，使工程的用钢量增加较多，是很不经济的。因此，钢框架体系虽然传力路线明确、 耗能能力强及延性大，但因节点设计复杂且一些力学指标不易满足而致使其在商层建筑 钢结构中( 特别是在地震区) 的应用，受到一定限制。 1 2 2 钢框架一支撑体系 1 中心支撑结构体系m 。6 中心支撑结构体系是指在钢框架体系中设置支撑构件，支撑的两端均位于梁、柱相 交处( 或至少一端位于梁、柱相交处) 。支撑形式有：十字交叉支撑、单斜扦支撑、人 字形支撑或k 形支撑，以及v 形支撵等类型，见图卜2 1 。若选用单斜杆支撑，宜在相 应拄l 刨成对对称布置。作为竖向桁架的斜杆支撑主要承担由钢框架传来的侧向作用引起 的剪力，表现为弯曲型变形，框架为剪切型变形，二者变形相互协调，互为补充。 圉图 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( 豳1 2 1 中心支撵体系 f i g 1 2 一l c e n t e rb r a c es y s t e m 中心支撑具有较大的侧向刚度，构造相对简单。与钢框架结构体系相比，框架一中 心支撑结构体系在多遇地震作用下及弹性变形范围内具有较大的刚度，很容易满足规范 对结构物层间位移的限值要求。但是，在强震作用下，中心支撑易发生屈曲，导致整个 结构体系的承裁力下降，并引起较大的侧向变形，这种结构体系不宜在强地震区应用。 在实际工程应用中较为常用的中心支撑是人字形支撵和交叉斜杆支撑。人字型支撑 的支撑杼较短，支撑杆之间不需要连接件，构造相对简单，可节约成本。一般地说，人 字型支撑结构传力明确，在一定的使用范围内，如在常用的楼层高跨比( 0 3 o 6 ) 范围 内和相同的楼层抗剪强度下，人字型支撑更为经济。但在地震作用下，人字支撑塑性性 篁苎垄型查生兰! 堕堡! 兰竺丝皇， 能较差。试验研究表明，在循环荷载作用下，当人字型支撑的横梁刚度较低时，一旦支 撑达到极限受力状态，结构的水平承载能力随即大幅下降，通常仅为原来的4 0 左右a 国外研究将人字支撑框架按照横梁的刚度和承载能力分为弱梁支撑框架和强梁支撑框 架两大类。对于弱梁支撑框架，仅要求梁在支撑杆件屈曲之前拥有足够的承载能力，不 考虑在支撑杼屈曲之后梁由于抗弯能力不足导致楼层刚度和承载能力的退化，造成过大 的层问侧移并最终导致支撑框架的失稳。这种支撑框架在地震区仅用于四层及以下的钢 结构建筑。而强梁支撑框架则要求框架梁在支撑杆屈曲之后具有足够的强度以承担上部 竖向荷载和支撑杆屈曲之后传来的荷载。在设计过程中，根据梁所能承受的支撑杆传来 的荷载的不同，支撑框架具有不同程度的变形能力和延性，分别适用于不同的楼层高度， 在地震区最高可用于l o 1 2 层的钢结构建筑。 2 偏心支撑结构体系“4 。”。” 在偏心支撑结构体系中，偏心支撑是指在钢框架结构体系中至少设置在一端与梁连 接( 不在柱节点处) ，另一端连接在梁与柱相交处或在偏离另一支撑的连接点与梁连接： 并在支撑与支撑之间形成一耗能梁段。其主要形式见图1 - 2 - 2 ( 其中e 为耗能梁段的长 度) 。偏心支撑与中心支撑的主要区别耗能梁段，能在正常使用条件或多遇地震作 用下保持在弹性变形阶段；在强震作用下，通过其塑性变形，产生塑性铰来消耗地震能 量，以保证支撑不发生弯曲。 一一一一 ， v v 卫 圈卜2 2 偏心支撑体系 f i g 1 2 2e c c e n t r i cb r a c es y s t e m 由于耗能梁段的存在，偏心支撑结构体系才能使其强度、刚度和耗能方面比较协调， 大为提高了该结构体系的工作能力，兼有中心支撑结构体系及钢框架结构体系的优点。 因此，对于偏心支撑体系，耗能梁段的设计是最为关键的环节。设计时应当使耗能梁段 的强度低于其他杆件，以便于充分发挥耗能梁段的极限强度和延性。根据偏心支撑的受 力特点， 商钢规规定：当耗能梁段净长符合e 0。ls0a 2 0 。菇c o r l t o 2。 麒。j 、 以。) ( 3 2 4 ) 这种模型子午线向负静水压力轴展开，但当高静水压力下，子午线可能与静水压力 轴相交，这与一般实验结果是不相符的。因此，w i l l i a m - w a m k e 规定了1 2 启成1 ， 目的是限制拉、压予午线适用的静水压力的上限值，这样该准则适用范围内的子午线便 不会出现与静水压力轴相交的不合理现象。 对于参数的确定，需要五种强度指标： 单轴抗压强度： 单轴抗拉强度，； 二轴等压强度厶，采用五。= 以。，：的比值； 在拉子午线上的三轴强度p ，f 。“) = ( _ 百，百) ； 在压子午线上的三轴强度p 。f ，f ，) = ( _ 爵，瓦) ； w i l l i 锄w a r n k e 五参数强度准则模型在大型有限元分析软件a n s y s 在对混凝土的 非线性分析中得到了应用。 第二种破坏准则，江见鲸五参数强度模型。该模型的表达式为 一： 等 2 + 4 等+ 丢一心= 。臼= s 。 曰： 曼 2 + 马等+ 妻一b 。= 。臼= 。 户p ) = n + 以一小i n _ 3 _ 2 0 ( 3 2 - 5 ) 该准则也是六个参数，但当成= n = 0 时，受压、受拉子午线应交于静水压力轴上 同一点，即有 ；一一。= ；一岛= 。( 3 - 2 - 6 ) 由式( 3 - 2 6 ) 可得a 。= b o ，故有五个参数是独立的。若取三轴抗拉强度均等于， 内藏锌4 极支撑剪力墙受j j 性能的分析 叶究 则可得彘= 3 ，进而求出a 。= b 。= 3 ，工。这样，在式( 3 2 5 ) 中，每个式子都 是只有两个待定参数，求解非常方便。 有关三轴受力下的其它混凝土强度准则，这里不再赘述。 3 2 4 钢筋混凝的有限元模型 本章第一节已提到钢筋混凝土的有限元模型，鉴于内藏钢板支撑剪力墙构件的复杂 性，本文采用整体式( 即将钢筋分布于整个单元中) 分布模型来模拟配筋混凝土墙板。 3 2 5 混凝土s o l i d 6 5 单元“2 1 a n s y s 中的s o l i d 6 5 单元是专为混凝土、岩石等抗压强度远大于抗拉能力的非均 匀材料开发的单元。s o l i d 6 5 单元应力应交关系的总刚度矩阵表达式为： 【d 】：- 兰k 一 d c 】+ 羔k 一 d ，】， ( 3 2 ，) ，t l j i = 1 其中，n ，表示加固材料的数目( 最多可以设置三种，若m i = 0 ，则没有加固物；若 m i 、m 2 、m 3 等于混凝土材料的编号，则不能忽略加固物。对应于实常数定义表中需 要输入的m a t l 、m a t 2 、m a t 3 ) 。 8 表示加固物的体积率，亦可以理解为钢筋的配筋 率。 l d 。j 表示混凝土的刚度矩阵，是通过在各向同性材料中插入各向异性的应力应变关 系得到的，可以表示为： 蚪丽e ( 3 2 8 ) 旧l 表示第i 个加固物( 钢筋) 的刚度矩阵，在单元局部坐标系下，钢筋的应力应 变关系可以表示为： e ：0 00 00 00 00 00 o o 0 0 o o 0 0 0 0 o 0 0 00 o0 o = f d l ( 3 2 - 9 ) 、|o o o o o o2 0 一 o 一 0 o 0 o卫一2 0 以一 o o o一2 o o 岛屹略吃略吃略岛吃 ，卯，”，移，唧，彤，卵 华北水利水电学院坝士学位论文 s o l i d 6 5 单元能预测弹性行为、开裂行为和压碎行为。当在弹性范围内工作时，混 凝土的刚度矩阵就是式( 3 2 7 ) 。若考虑开裂或压碎，则需要对式( 3 2 - 7 ) 进行修正， 详见文献 4 3 ，这里从略。 3 3 内藏钢板支撑剪力墙屈服前刚度的有限元分析 3 3 1 有限元模型的建立 有限元分析模型尺寸采用：外包钢筋混凝土墙板尺寸为2 0 0 0 x 1 5 0 0 x 1 0 0 ，内藏人 字形钢板支撑截面为1 7 0 x 8 ”，长度为1 8 8 0 m m 。外包钢筋混凝土墙板用用混凝特有的 s o l i d 6 5 单元模拟；据钢板几何尺寸及受力特性将钢板简化为杆件，用b e a m 4 单元模拟。 该模型属于组合结构，必须将二者单元在连接处安排为节点，以保证变形协调，并且认 为粘结良好，二者界面不产生相对滑移。 实参数选用：对于b e a m 4 单元直接将截面几何数据输入；对于钢筋混凝土单元，采 用整体式模型来考虑钢筋对混凝土的加强作用，采用双向双面配筋，双向配筋率均为 o 0 0 5 。 材料参数选用仍为：e ，= 2 1 e l l n m 2 ，u ，= o 3 ；t ：3 e l o n m 2 ，u 。= o 2 ；。出于 构件发生屈曲前，钢板仍处于弹性阶段，对钢材只定义其弹性指标：对于钢筋混凝土墙 板，在混凝土开裂和压碎前采用线性的应力一应变关系，在混凝土开裂和压碎后采用的 破坏准则为w i l lj a m w a r n k e 五参数强度准则。对于多轴应力状态下，混凝土的失效准 则为 三一s 0( 3 3 1 ) 式中，f 是主应力( 盯”，盯，0 y 2 ) 的函数；s 表示失效面，是关于主应力及 ，f 。，f mf ，五个参数的函数：f c 是单轴抗压强度。在静水压力较小时，即| 吼| 3 疋 忙。= b ，+ 盯，+ 盯，j 3 j ，此时失效面可以用参数f 。和f t 来指定下面的三个参数： f “= 1 2 l ，f - = 1 4 5 f 。，f z = 1 7 2 5 f 。对于本模型，采用文献 4 4 中c 2 0 混凝土的强度标准值 来指定其它三个参数：f 。= 1 5 4 e 6 n m 2 ，f 。= 1 3 4 e 6 n m 2 。张开裂缝的剪切传递系数取0 4 ， 闭合裂缝的剪切传递系数取1 0 。 采用映射网格划分体单元s o l i d 6 5 ，如图3 3 一l 所示。图3 3 2 为b e a m 4 单元的编号， 其中单元编号l 一4 为不受混凝土约束，单元编号5 4 4 为有混凝土约束的单元。 史整塑塑兰壁塑塑些星! ! 丝堑塑坌型垄一 图3 - 3 1s o l i d b e a m 4 有限元模型 图3 - 3 2b e a m 4 单元划分及编号 f l g3 - 3 一ls o l i d b e 雕4f i n i t ee l e m e n tm o d e l f i g 3 - 3 2b e a m 4e l e m e n tn u m b e r 3 3 2 有限元分析及与试验资料对比 对本模型进行静力非线性分析，采用水平x 向载荷工况：0 7 e 5 n 。其目的在于得出 与试验资料相同载荷作用下，内藏钢板的轴向应变与试验结果符合程度。 对有限元模型的下部两节点所有自由度进行约束，对上部钢板支撑交叉处的节点约 束全部旋转自由度和z 向平移自由度，加载并进行非线性静力求解。图3 3 3 、图3 - 3 4 分别是在l o a d = o 7 e 5 n 作用下，有限元模型及试验资料的内藏钢板支撑( b e a m 4 单元) 轴 向应变。 弩 j 拉噩锣4压匝4 74 爿。- 。5 n i | | i ! ! j j t 置时引鼍 ， 也蔓最j 瞳4 绝对值- j 。， 。4 幽3 - 3 3 有限元分析轴向应变 f i g 3 - 3 3a x i a ls t r a i no ff i n i t e e l e m e n ta n s l y s i s 用，表示其轴向变形量则有： + ? l h ) 一- ：_ = 1 一a i 应i 孱一：瞳毪。 、 v 一。t 一：7 t 豆。堆j 幢- 母。j 。e - ，一! 一j 图3 - 3 - 4 试验资料轴向应变 f i g 3 - 3 4a x i a ls t r a i no f t h ee x p e r i m e n t a 1 = 昂d l( 3 - 3 2 ) 在水平载荷0 7 e 5 n 作用下，通过对轴向应交进行积分，其轴向变形量见表3 - 3 一l 。 表3 - 3 1 轴向变形量( m ) t a b 3 - 3 1 a x i a ls t r a i ni n t e g r a v a l u e ( m ) 载荷工况轴向变形量( m ) ( n ) 有限元模型0 7 e 501 5 4 e 0 3 试验资料 0 7 e 50 1 6 6 e 一0 3 兰垄兰型查皇兰堕壁! 主兰堡笙茎。一 山图3 - 3 3 、图3 - 3 4 及表3 - 3 1 可以看出，该有限元模型的分析结果与试验资料 符合较好，可见用该有限元模型来模拟内藏钢板支撑剪力墙的受力性能是正确的。 3 3 3 考虑d w t 变化模型的有限元分析 考虑外包砼_ 厚度d w 不变( 0 。i r a ) ，内藏钢板厚度t = 0 0 1 2 m ，0 ，0 0 8 m ，0 o o g m 时，即 d w t 分别为8 3 ，1 2 5 ，1 6 7 时，对上述三种有限元模型分别施加l o a d = 0 7 e 4 n ，0 ，7 e 5 n ， 1 4 e 5 n 。2 1 e 5 n ，2 8 e 5 n ( 试验资料的屈服时载荷) ，分析其轴向应变。 1 当d w t 为8 3 的有限元分析 当d w t 为8 3 时，载荷为0 7 e 4 n ，0 7 e s n ，1 4 e 5 n ，2 1 e 5 n ，2 8 e 5 n 时的有限元 分析轴向应变分别见表3 3 2 一表3 3 6 。 表3 - 3 2 t a b 3 - 3 2 b e a m 4 单元轴向应变( t = o 0 12 i i l ，o a d = o 7 e 4 n ) b e k 1 4e l e m e n ta x i a ls t r a i n ( t = 0 0 1 巯，l o a d = o 7 e 4 n ) l02 7 6 e 一0 41 0 一o 3 8 9 e 一0 5 1 9 一o 2 6 4 e 一0 52 80 5 3 7 e 一0 5 3 70 2 5 4 e 一0 5 2 02 7 6 e 一0 41 1 0 3 4 7 e - 0 5 2 0 - 0 ，2 8 0 e 0 5 2 90 4 5 3 e - 0 53 802 5 6 e 一0 5 3 09 4 8 e 0 51 2 0 3 1 5 e - 0 5 2 l o 3 0 9 e - 0 53 00 3 8 9 e 一0 5 3 90 2 5 4 e 一0 5 4 0 9 4 8 e 一0 5 1 3 0 2 9 2 e - 0 52 2 0 3 6 1 e - 0 5 3 10 3 4 1 e 一0 54 00 2 8 0 e 一0 5 5 0 1 6 2 e 0 41 4 0 2 7 6 e - 0 5 2 3 0 4 4 2 e 一0 53 20 3 1 5 e 一0 5 4 l0 3 0 9 e - 0 5 6 0 8 8 5 e 一0 5 1 5 0 2 6 4 e - 0 52 4 一o 6 3 3 e - 0 5 3 30 2 9 2 e 一0 54 20 3 6 1 e 一0 5 7 - 0 ，6 7 8 e 一0 51 6 0 2 5 7 e 一0 5 2 50 1 6 2 e - 0 43 40 2 7 6 e - 0 5 4 30 4 4 2 e 0 5 8 05 3 7 e 0 5 1 7 0 2 5 4 e - 0 52 60 8 8 5 e - 0 53 50 2 6 4 e 0 5 4 40 6 3 3 e 0 5 9 04 5 3 e 0 5 1 8 - o 。2 5 6 e - 0 52 70 6 7 8 e - 0 5 3 60 。2 5 7 e - 0 5 表3 3 3 t a b 。3 3 3 b e a m 4 单元轴向应变( t = o 0 1 2 m ，l o a d = o 7 e 5 n ) b e a m 4e l e m e n ta x i a ls t r a i n ( t = o 。0 1 2 m ，l o a d = o7 e 5 n ) 102 5 7 e 一0 31 0 0 3 8 3 e - 0 4 1 9 0 2 7 9 e 0 42 80 1 8 7 e 一0 33 70 3 4 8