钢框架防屈曲钢板剪力墙研究现状分析*

刘 伟 王世杰

(吉林建筑大学土木工程学院，长春 130118)

早在20世纪30年代，Wagner［1］就发现薄壁铝板具有较大的剪切屈曲后强度，并建立了所谓的拉力带理论，但直到1983年，利用薄钢板屈曲后性能才被加拿大学者Thorburn［2］提出．研究表明，与边缘构件可靠连接的薄钢板墙，屈曲后强度可达数十倍屈曲荷载．所以，将薄钢板嵌入框架，利用薄钢板屈曲后性能来抵抗水平荷载(风或地震作用)成为后来的研究热点．

钢板剪力墙是20世纪70年代由日本学者提出的一种新型抗侧力构件，并很快被证明是优秀的抗震耗能构件，特别适合于高烈度地区．钢板剪力墙结构的早期研究以弹性屈曲临界力为其极限承载力，为了发挥材料强度往往使临界应力大于屈服强度，这样设计的结果是钢板较厚，用钢量大，经济性较差．之后发展起来的加劲钢板剪力墙加劲肋与钢板焊接连接会产生较大残余应力，对板件不利，而且焊接引起的薄板变形及热影响区使材质变脆，在反复荷载作用下可能导致钢板提前断裂．加劲肋在约束墙板的同时参与抵抗一部分水平力，易出现加劲肋屈曲先于整体破坏的情况，不能持续起到抑制钢板屈曲的功能．针对非加劲薄钢板墙存在使用及受力上的缺点，主要包括屈曲噪声、易振动、滞回曲线捏缩及拉力场给边框柱造成的附加弯矩等，郭彦林［3］等提出了钢框架防屈曲钢板剪力墙体系．较之加劲钢板和非加劲薄钢板，该新型结构具有更优的耗能能力，更高的初始抗侧刚度，可有效克服滞回曲线的捏缩现象，避免钢板噪音及震颤，同时也兼具施工方便等优点．

1 目前研究现状及存在的问题

1．1 研究现状

钢框架防屈曲钢板剪力墙根据螺栓孔径分为两种:Ⅰ型防屈曲钢板墙两侧混凝土盖板预留的连接螺栓孔与螺栓的孔径相当，即使在较大的水平荷载下，三块板始终共同变形，内嵌钢板与混凝土盖板不发生相对滑移;Ⅱ型防屈曲钢板墙两侧混凝土盖板预留的连接螺栓孔大于螺栓的孔径，在较大的水平荷载下，允许混凝土盖板与钢板发生相对滑动．

目前针对该体系的研究主要围绕防屈曲钢板的力学性能进行．郭彦林［3］等通过建立有限元模型对防屈曲钢板剪力墙在水平荷载作用下的初始刚度、抗剪极限承载力，以及在低周往复荷载下的滞回性能进行了研究，提出了防屈曲钢板墙抗剪极限承载力及初始刚度的计算公式．在研究中，建立单层单跨的有限元模型，框架梁、柱采用铰接连接，并假定框架梁、柱的抗弯刚度无限大，同时忽略梁、柱的轴向变形．该模型忽略了框架柱的抗侧作用，认为侧向力全部由防屈曲钢板剪力墙承担，重点分析钢板的抗剪性能．

对该模型的研究表明，对于宽厚比(钢板短边与其厚度的比值)较小的板(即厚板，剪切屈曲不先于屈服发生;以Q235为例，λ≤100为厚板)，在弹性阶段，普通钢板剪力墙和防屈曲钢板剪力墙的荷载—位移曲线重合，并有相近的极值点;屈服阶段，普通钢板剪力墙曲线存在下降段，而防屈曲板两侧的盖板限制了钢板的面外变形，抑制了承载力的降低．对于宽厚比较大的板(即薄板，在钢材弹性范围即发生屈曲，对Q235，λ≥150)，防屈曲板能较大程度上提高钢板的极限承载力和初始抗侧刚度;并且随着宽厚比的增大，混凝土盖板的作用越显著．结果如图1所示．

图1 防屈曲与普通钢板墙剪应力比与位移的关系曲线

对两种防屈曲钢板剪力墙(Ⅰ型、Ⅱ型)低周往复水平荷载分析得出，防屈曲墙板也会出现轻微的“捏缩”现象，但与相应的普通钢板剪力墙相比可忽略不计;其滞回环更加饱满(见图2)，表现出更好的延性和耗能性能．

郭彦林［4］等采用有限元方法，对不同宽厚比情况下的防屈曲钢板剪力墙在水平荷载下的弹性性能、盖板所需最小厚度及螺栓排布方式及对钢板屈曲性能的影响进行分析，得出了在理想情况下的I型和II型不同宽厚比的钢板墙的最小盖板厚度，并分析了螺栓的最大间距．

图2 防屈曲钢板墙(Ⅱ型)与普通钢板墙滞回曲线(λ=300)

图3 防屈曲钢板墙(I型)与盖板厚度关系曲线

钢筋混凝土盖板对钢板面外变形的约束作用是影响防屈曲钢板剪力墙力学性能的重要指标，当盖板刚度满足要求时，钢板屈服会先于屈曲发生．文献［4］定义了约束刚度比:

式中，τcr为临界屈曲剪应力;τy为剪切屈服强度．

由图3可见，对Ⅰ型板，当单侧盖板厚度达30mm时，钢板的屈曲应力开始超过其屈服应力，可知30mm为盖板的临界厚度．

对Ⅱ型板，采用文献［5］所述方程:

由式(2)，(3)可得:

由于钢板柱面刚度较小，式(4)可简化为:

将式(5)代入式(1)得:

由(6)即可得出盖板的最小刚度．薄板的柱面刚度为:

结合式(6)，(7)可得出盖板的最小厚度．

为了分析螺栓的合理排布方式，将相邻四个螺栓之间的钢板简化为四边简支模型，在纯剪作用下，四边简支板的弹性屈曲应力可由参考文献［6］得:

式中，k为弹性屈曲系数，可近似取为9．34;χ为嵌固系数，取1．0;ν为泊松比，可取为0．3;db为螺栓间距．令弹性屈曲应力大于或等于抗剪屈服强度，即可获得钢板不发生局部屈曲时的螺栓排列间距．

现以国产Q235钢板为例，取弹性模量为2．06×106MPa，钢板抗剪屈服强度取125MPa，根据式(8)有:

由(9)式即可得出:db/tw≤118

由文献［7］知，对于λ＞150的钢板，屈曲通常发生在弹性阶段，只要连接螺栓间距与钢板厚度之比不大于118，就可防止内嵌钢板发生局部屈曲．

于金光［8］等对一榀1∶3比例单跨双层的半刚性钢框架防屈曲钢板剪力墙进行低周往复荷载试验研究，研究节点转动刚度与防屈曲钢板墙体的相互影响效果，并获得承载力、刚度、耗能和节点转动能力等指标．试验结果表明:该种结构具有优越的耗能能力，节点刚度退化小，防屈曲构件的设置可提高墙体的承载力及刚度，有效克服滞回曲线的捏缩现象．

1．2 存在的问题

目前对该体系的研究主要针对钢板的力学性能，而忽略了板对边柱的不利作用．同时不同节点形式下框架和钢板的相互影响研究较少．虽然有文献给出了不同情况下混凝土盖板最小厚度的确定方法及极限承载力计算公式，但均是在理想条件下得出的结论，与实际情况存在一定差距，且尚无充分的试验验证．

2 结语

针对钢框架防屈曲钢板剪力墙的研究现状及存在的不足，本文给出如下建议:

(1)当分析梁柱刚接、半刚性连接情况下，可考虑边柱和梁的弯曲变形时盖板最小厚度的确定方法;(2)可对保障防屈曲钢板发挥作用的构造措施进行研究;

(3)对不同节点形式下，框架和钢板墙之间的相互作用还需进一步研究．

［1］Wagner H．Flat sheet metal girder with very thin metal web:Part 1:General theories and assum ptions［M］．Technical Memorandum No．604．Washington:National Advisory Committee for Aeronautics，1931:524-558．

［2］Thorburn LJ，Kulak GL，Montgomery CJ．Analysis of steel plate shear walls［R］．No．107．Edmonton:Deparmtent of Civil Engineering，University of Alberta，1983．

［3］郭彦林，周 明，董全利．防屈曲钢板剪力墙弹塑性抗剪极限承载力与滞回性能研究［J］．工程力学，2009，26(2):108-114．

［4］郭彦林，董全利，周 明．防屈曲钢板剪力墙弹性性能及混凝土盖板约束刚度研究［J］．建筑结构学报，2009，30(1):40-47．

［5］Astaneh-AslA．Seismic behavior and design of composite steel plate shear walls［R］．Steel TIPSReport Berkeley:Department of Civil and Enviromental Engineering，Univertity of California，2002．

［6］陈 骥．钢结构稳定理论与设计［M］．北京:科学出版社，2011:443．

［7］AISC．Seismic provisions for structural steel buildings［S］．Chicago:American Institute of Steel Construction，2002．

［8］于金光，郝际平，崔阳阳，宁子健，刘 春．半刚性框架防屈曲钢板墙结构的抗震性能试验研究［J］．土木工程学，2014，47(6):18-25．