新型防屈曲钢板墙设计与仿真研究

刘甄真 徐天南 黄芳武

(招商局重工(江苏)有限公司 海门 226116)

0 引 言

防屈曲钢板墙作为一种耗能减振产品，已经被广泛地应用于框架结构中.目前主要的防屈曲钢板墙有：加劲肋型、开竖缝型和对拉混凝土盖板型.但是这几种钢板墙都存在一定的缺陷，加劲肋型防屈曲钢板墙中加劲肋与芯板的焊缝疲劳会影响钢板墙的耗能性；开竖缝型防屈曲钢板墙加工工艺较繁琐，制作成本也较高；对拉混凝土盖板型防屈曲钢板墙需要在芯板开大尺寸槽型孔，制作繁琐，且易影响芯板的耗能性.

文中在这几种传统的防屈曲钢板墙基础上，提出了一种避免在芯板上焊加筋肋和开槽型孔的新型防屈曲钢板墙，且制作简易，成本较低.同时，为了验证该新型防屈曲钢板墙的可行性，设计了承载力为700 kN的新型防屈曲钢板墙，并对该盖板墙进行了有限元仿真.仿真中对钢材采用了Chaboche本构模型，以保证较准确地模拟钢材在塑性阶段的非线性.

1 新型防屈曲钢板墙设计

1.1 新型防屈曲钢板墙原理

新型防屈曲钢板墙主要由5部分组成(见图1)，分别为内芯板、约束盖板(内置混凝盖板的薄壁密封壳)、肘板及上下端板.

图1 新型防屈曲钢板墙

该防屈曲钢板墙的内芯下侧与下端板焊接，上侧则穿过上端板的开孔，见图2.

图2 内芯与上下端板连接

约束盖板为内置混凝土盖板的薄壁密封壳，组成原理见图3，约束盖板通过肘板与上下肘板焊接.这避免了在芯板上焊加劲肋或开槽型孔，而是通过约束盖板提供侧向抗弯刚度.

图3 约束盖板组装原理

1.2 芯板抗剪屈服承载力和刚度

钢板墙结构只承受水平载荷作用，在水平荷载作用下,当钢板墙板所受剪力达到屈曲剪力后,板开始屈曲 ,钢板墙屈曲后并不意味着破坏, 钢板墙还能利用钢板的屈曲后强度继续承担大量的侧向荷载[1].该防屈曲钢板墙内芯采用I形板，I形板的设计公式已有较多的研究[2].

内芯的抗剪屈服承载力为

(1)

式中：MP和QP分别为I形钢板墙纯弯曲屈服时的屈服弯矩和纯剪切屈服时的屈服剪力；Hy为屈服线距离钢板中心的距离.内芯的抗侧移初始刚度为

(2)

式中：E为弹性模量；t为内芯的板厚；H和B分别为内芯的高宽.

1.3 盖板刚度要求

盖板的刚度需满足如下要求[3]

(3)

式中：Qu为钢板墙的极限承载能力，一般取Qy的1.5倍；B为钢板墙的宽度；kcr为剪切屈曲系数.

(4)

其中：H为钢板墙的高度.

1.4 盖板刚度计算公式

约束盖板的抗弯刚度则通过复合材料的抗弯刚度公式推导出.

盖板结构属于对称结构，可视其为对称层合板，且由于对称层合板的弯曲与拉伸之间不存在耦合，所以可得对称层合板的合力矩为[4]

(5)

式中：

(6)

其中：tk为板厚；zk为板的位置信息.

由于薄板密封壳仅有上下端与端板焊接，左右两边自由，因此仅需要考虑一个方向的抗弯刚度，即

D盖板=D11

(7)

根据盖板的剖面可以求出D11的计算公式，见图4.

图4 盖板剖面

由式(6)可知：

2 新型防屈曲钢板墙仿真

2.1 Chaboche本构模型

为了验证该新型防屈曲钢板墙的可用性，需利用仿真手段进行初步检验.该新型防屈曲钢板墙的内芯采用Q235钢作为材料，目前工程上主要采用双折线本构模型对软钢进行仿真，双折线本构模型虽简单易用，但是忽略了软钢的同向强化和塑性阶段的非线性特征,因此,采用Chaboche模型作为软钢本构模型.

Chaboche模型是一种包含随动强化和同向强化的混合本构模型，可以较好的描述钢材的力学性能.Chaboche本构的数学模型(单轴)为[5]

(9)

解式(9)可得

式中:a)为Chaboche模型表达式，其中|σ-X|为塑性变形过程中的应力面；R为屈服应力面；k为同向强化的幅值，k可以通过下式求得：

k=Q∞(1-e-bisoεp)

(11)

其中：εp为从屈服应力面开始累积的应变；k中的其他参数可以通过测试εp点拟合求出.式b)为背应力X表达式，即随动强化的幅度，εp-εp0为待求应力面到参考应力面之间的应变；X0为参考应力面的背应力；ν为应力-应变曲线的方向(应力为正时为1，应力为负时为-1)；其他参数可以通过测试εp-εp0点拟合求出，一般需要拟合三到四组数据才能保证曲线的非线性[6].目前已有学者对各类软钢的chaboche模型参数进行了测试[7-8]，测试结果见表1.根据式(10)和表1可知，Q235的极限应力约为430 MPa.

表1 Chaboche模型参数

为了验证Chaboche本构模型的优势，在Abaqus中建立试件模型，见图5，分别对该试件附双折线本构关系和Chaboche本构关系，并对该试件进行单轴拉伸仿真[9].图6为分别基于两种本构关系仿真得出的力-位移曲线，可以看出Chaboche本构模型在塑性阶段能够更准确的反映材料非线性.

图5 试件模型

图6 试件拉伸力-位移曲线对比

2.2 700 kN防屈曲钢板墙设计

按照某实际项目要求，设计抗剪屈服承载力为700 kN、高度为1 m、宽度小于0.8 m的防屈曲钢板.根据1.2～1.4的设计公式，计算得到防屈曲钢板墙中内芯板和盖板的尺寸(见表2)、外形尺寸见图7.

表2 内芯板和盖板的尺寸 mm

图7 芯板和盖板的尺寸图

根据内芯板和盖板尺寸，画出钢板墙的外形图纸，见图8.

图8 700 kN防屈曲钢板墙外形图

2.3 700 kN防屈曲钢板墙仿真

基于有限元软件Abaqus对700 kN防屈曲钢板墙进行仿真验证[10].根据防屈曲钢板墙外形尺寸建模，其中芯板、端板、薄板密封壳、肘板均使用shell单元，混凝土盖板使用solid单元，利用Abaqus中interaction功能实现盖板和密封壳的耦合.防屈曲钢板墙Abaqus有限元模型见图9.

图9 防屈曲钢板墙Abaqus模型

混凝土选用C40，钢材选用Q235，约束条件为下端板刚性固定[11].根据文献[9]中多高层钢结构弹塑性层间侧移角规定对钢板墙施加水平循环位移载荷，其允许的最大弹塑性层间侧移角为1/50，因此,为保守起见，最大位移载荷设置为层间的1/35，加载制度见图10.

图10 加载制度

计算结果如下所示，图11为芯板层间侧移角为1/35时的应力云图，由图11可知，在盖板提供的侧向刚度约束下，芯板没有发生严重的面外变形，且芯板多处已接近极限应力，说明该防屈曲钢板在水平循环载荷下，没有发生面外屈曲.

图11 芯板应力图

图12为盖板10倍比例下的侧向变形，由于盖板对芯板的面外变形提供了刚度约束，产生了一定的变形，且应力在允许范围内.

图12 盖板应力图

图13为芯板在水平循环载荷下滞回曲线，可以看出，芯板屈服承载力为688 kN，基本满足700 kN的设计要求，滞回曲线光滑饱满，证明芯板没有产生屈曲变形，盖板提供了有效的侧向刚度约束，并且滞回曲线包围的面积大，说明钢板墙具有较好的耗能效果.

图13 防屈曲钢板墙滞回曲线

3 结 论

1) 在传统防屈曲钢板的基础上，提出了一种新型防屈曲钢板，制作方便，避免了传统钢板墙需要在芯板上进行穿孔或焊接的工艺，并能保证性能的优点.

2) 根据对称层合板理论，给出了新型防屈曲钢板盖板刚度的计算公式，即

3) 对比了Chaboche和双折线本构模型，通过试件的单轴拉伸仿真,验证了Chaboche本构模型在钢材塑性阶段更能反映其非线性.

4) 设计了屈服承载力为700 kN的新型防屈曲钢板墙，并基于Chaboche本构模型对该防屈曲钢板墙进行的仿真验算，仿真滞回曲线光滑饱满，证明了盖板能够提供足够的侧向刚度，并且滞回曲线包围的面积大，说明钢板墙具有较好的耗能效果，具有一定的实用性.