一種防屈曲鋼板剪力墻抗側承載力分析模型和計算方法與流程

本發明涉及一種分析模型，尤其涉及一種防屈曲鋼板剪力墻抗側承載力分析模型和計算方法，屬于鋼結構領域。

背景技術：

防屈曲鋼板剪力墻具有初始剛度大、承載力高和延性好等優點，是一種抗震性能優越的超高層結構抗側力構件。按不同的墻柱連接形式，防屈曲鋼板剪力墻可以分為：四邊連接、兩邊連接和設置端柱的防屈曲鋼板剪力墻。四邊連接防屈曲剪力墻承載力高剛度大，但需要整跨布置，不便于開設洞口，僅上下兩邊與梁連接的兩邊連接和設置端柱防屈曲剪力墻便于開設門窗、過道，易于滿足建筑功能的需要。通過合理建筑、結構設計，充分發揮不同類型防屈曲鋼板剪力墻的性能優勢，可以保證建筑結構兼具優越的抗震性能和良好的使用功能。但現行的規程沒有給出鋼板形成完全剪切應力場的明確判定方法，對剪力墻的不同連接形式沒有做出界定，兩邊連接形式僅給出了依據有限元和試驗結果的擬合計算公式，且適用的墻板跨高比范圍有限，除四邊連接形式外，兩邊連接形式和設置端柱的防屈曲鋼板剪力墻還沒有形成與之匹配的明確簡化分析模型和理論計算公式，防屈曲鋼板剪力墻的工程設計缺少適用不同墻柱連接形式考慮不同邊緣柱軸向剛度的通用抗剪承載力計算公式。

技術實現要素：

本發明主要是解決現有技術中存在的不足，提供一種提出不同連接形式防屈曲鋼板剪力墻的判別方法，適用范圍廣的一種防屈曲鋼板剪力墻抗側承載力分析模型和計算方法。

本發明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：

一種防屈曲鋼板剪力墻抗側承載力分析模型和計算方法，按以下步驟進行：

(一)、提出防屈曲鋼板剪力墻剪切應力場的受力假定：

1、鋼板低幅屈曲區域與理想平面區域形成的剪切應力場相同；

2、鋼板形成有效的剪切應力場，需要豎向邊緣構件傳遞剪切荷載，保證邊緣穩定；

3、當邊緣柱軸向屈服先于鋼板完全剪切屈服時，兩側邊緣鋼板區域將和邊緣柱共同充當豎向邊緣構件，保證內部區域鋼板形成剪切場；

4、未形成完全剪切應力場的防屈曲墻板，其抗剪承載力由有效剪切場和邊緣支撐帶兩部分區域提供；

(二)、根據試驗及數值模擬分析，提出防屈曲鋼板墻剪切應力場的受力假定：

建立考慮不同連接形式的防屈曲鋼板剪力墻承載力分析模型，并推導出保證鋼板形成完全剪切應力場的豎向邊緣構件截面面積設計要求，其計算公式表達如下：

(三)、根據防屈曲鋼板剪力墻承載力分析模型，進行模型內力分析：

推導出不同連接形式的防屈曲鋼板剪力墻承載力計算公式，計算公式表達如下：

V≤f_vt_wL_e+f_yt_w(L-L_e)sinα

其中，邊緣框架柱截面面積滿足A_c≥A_cr時：

α＝0°和L_e＝L

邊緣框架柱截面面積滿足A_c<A_cr時：

L_e＝L-2H·tanα

f_y—鋼材抗拉強度設計值；

f_v—鋼材抗剪強度設計值；

f_y,c—邊緣柱抗拉強度設計值；

t_w—鋼板剪力墻的厚度；

H—鋼板剪力墻的高度；

L—鋼板剪力墻的跨度；

β—鋼板剪力墻的跨高比，β＝L/H；

m—端柱剛度影響系數；

A_cr—邊緣框架柱截面面積限值；

L_e—剪切場有效計算跨度；

α—邊緣支撐帶應力場與框架柱的夾角。

具有以下有益效果：提出了防屈曲鋼板剪力墻判定墻板是否形成完全剪切應力場的明確方法，便于對防屈曲鋼板剪力墻不同連接形式做出界定；給出了用于防屈曲鋼板剪力墻工程設計的不同墻柱連接形式防屈曲鋼板剪力墻通用分析模型和抗剪承載力理論計算公式，為規程計算提供了可靠和有效的計算方法。

附圖說明

圖1為本發明的防屈曲鋼板剪力墻承載力分析模型；

圖2為本發明的墻承載力分析模型中上層梁受力分解圖受力；

圖3為本發明的承載力公式結果與數值模擬、理論公式結果對比圖。

具體實施方式

下面通過實施例，并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。

實施例1：圖1為防屈曲鋼板剪力墻的單層抗側承載力分析模型，邊緣框架梁的剛度定義為無限大，在水平外力作用下，墻板達到充分屈服，結構在框架梁的梁端形成塑性轉動鉸，墻板在中部形成純剪受力的有效剪切應力場，兩側邊緣支撐帶則形成局部拉、壓應力場。

對圖2中D點取彎矩平衡得：

由Mises屈服條件得f_y/f_v的值為求解式(7)的平衡方程，得邊緣支撐跨度L_s的計算式為：

有效剪切場對框架梁的反力V₁(有效剪切場承載力)、邊緣支撐帶水平方向的分量V₂(邊緣支撐帶承載力)分別為：

V₁＝f_vt_wL_e＝f_vt_w(L-2L_s) 公式(9)

V₂＝2f_yt_wL_ssinα 公式(10)

對水平方向力求平衡，可以得到防屈曲剪力墻抗剪承載力為：

V＝V₁+V₂＝f_vt_w(L-2L_s)+2f_yt_wL_ssinα 公式(11)

采用假定參數α和L_s初始值并代入公式(8)～(12)進行循環迭代的方法求解，以獲得抗剪承載力的精確解，具體計算流程如下：

1)、假定應力帶作用方向與豎向邊緣的夾角初始值α₀＝90°，代入式(8)獲得邊緣支撐帶跨度的初始值L_s,0，通過公式(9)～(11)計算得到V_1,0、V_2,0、V₀。假定支撐帶局部應力作用方向與豎向邊緣的夾角α與邊緣支撐帶跨度L_s的關系為：

2)、將初始值L_s,0代入式(12)求得α₁，由式(8)求得L_s,1，通過公式(9)～(11)計算得到V_1,1、V_2,1、V₁。

3)、進一步地，將L_s,i-1代入式(12)求得α_i，由式(8)求得L_s,i，通過公式(10)～(11)計算得到V_1,i、V_2,i、V_i。

4)若第i次的計算結果V_1,i、V_2,i、V_i與上一次循環的相對誤差平均值均小于1％，則認為結果收斂，迭代計算終止。

邊緣支撐帶局部應力作用方向與豎向邊緣夾角α的計算公式也可以簡化為：

邊緣支撐帶跨度L_s和剪切場跨度L_e的設計值分別按公式(14)、(15)計算獲得:

L_s＝Htanα 公式(14)

L_e＝L-2L_s 公式(15)。