带纵凸筋板钢管柱和钢板剪力墙力学性能分析

於立雄

(中铁房地产集团北方有限公司 北京 100166)

1 概述

钢管柱是最常见的构件之一，方形和圆形以其抗扭性能好、抗弯刚度大、外表美观[1－3]等优点，被广泛应用在钢结构中[4]；而钢板剪力墙作为一种新型抗侧力构件，有较高的侧向刚度、较好的延性和耗能能力[5-6]，也被越来越多地应用在高层和超高层建筑中[7-8]。由于厚钢板重量大，经济性差，薄钢板逐渐取代厚钢板，更多应用在工程中。但是研究表明[9－12]，薄钢板在达到极限承载力前，容易先发生局部屈曲。为了避免失稳过早发生，常采用构造措施对钢板进行加强。

纵凸筋钢板是在钢板上表面带有纵向凸筋的异形钢板，其外观如图1所示，是一种新型连轧钢材品种，合理配置的凸筋可以起到加劲肋的作用，能够提高钢板的平面稳定，并无需后续焊接等工作，可以一次成型。在日本的港口、高层建筑的钢桩、立交桥立柱等有使用内螺旋凸筋管制作钢管混凝土柱的工程实例，本文针对纵凸筋钢板这一优点，利用验证过的有限元模型，探讨其在钢管柱和钢板剪力墙中应用的可行性，研究不同布置方式和凸筋间距对构件性能的影响，并分析单位用钢量承载力的变化。

图1 纵凸筋钢板及应用

2 有限元模型的建立

2.1 材料本构关系模型

本文假定钢材符合随动双线性本构模型，其弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3。

2.2 单元选取与网格划分

采用结构化的网格划分方法，对构件进行离散化。网格划分密度对计算精度非常重要，如果网格过大，计算精度降低；网格过密，将浪费过多的计算机资源。因此，网格划分时应结合网格试验来确定合理的网格密度。

2.3 边界条件及加载方式

由于使用位移法具有很好的收敛性，故采用位移加载来模拟荷载作用，一端施加法向位移约束，通过刚性端板传递竖向位移荷载；另一端固接，采用增量迭代法进行非线性方程组的求解。钢管柱与剪力墙有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

3 有限元模型的验证

为验证本文建模方法的准确性，对文献[13－15]中的部分试件进行了模拟，有限元模拟结果与实验结果对比见图3。可以看出，本文模型可以准确地模拟钢管柱和钢板剪力墙的极限承载力和变形能力，但是对下降段过程存在一定偏差，这可能与实验存在的初始偏差、人员操作等因素有关。但总体上，本文采用的模型可以有效模拟实验荷载－位移曲线，获得关键数据，故使用该模型进行分析较为可靠。

图3 道岔便梁典型横断面(单位:m)

图3 有限元分析与实验结果比较

4 参数设置及结果分析

4.1 参数设置

为探究纵凸筋板凸筋间距和凸筋类型(单面/双面)变化对不同径厚比/宽厚比圆/方钢管柱和钢板剪力墙受力性能的影响，建立有限元模型，对凸筋板在钢结构中的应用进行可行性分析。假定钢材型号为Q345B，钢管壁厚10 mm，考虑现有加工水平，假定凸筋高度为3 mm，凸筋沿竖向布置。

4.1.1 圆钢管柱

为探究径厚比和凸筋间距对圆钢管柱性能的影响，依据«钢管混凝土结构设计与施工规程 CECS 28—2012»[16]，设计了D/t＝60 和D/t＝120(D/t常用范围为(20～135)×235/fy＝(13.6～92.0))两组试件，相应的套箍指标θ分别为0.5和1.7(θ常用范围为0.5～2.5)。径厚比一定的条件下，凸筋间距取0 mm(对比试件)、50 mm、150 mm和300 mm，共计8个试件，试件尺寸如表1所示。

表1 圆钢管柱有限元分析试件

4.1.2 方钢管柱

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为探究宽厚比和凸筋间距对方钢管柱性能的影响，依据«矩形钢管混凝土结构技术规程CECS 159—2004»[17]，设计了b/t＝30和b/t＝70两组试件(轴压柱b/t限值为)，混凝土的工作承担系数αc分别为0.3和0.5(αc常用范围为0.1～0.7)。径厚比一定的条件下，凸筋间距取0 mm(对比试件)、50 mm、100 mm、200 mm 和300 mm四组，共计10个试件，试件尺寸如表2所示。

表2 方钢管柱有限元分析试件

4.1.3 钢板剪力墙

参考文献[15]和[18]，设计了单面凸筋和双面凸筋两组钢板剪力墙试件，剪力墙长度L取3 300 mm，剪力墙高度H取3 300 mm，L/H＝1.0。剪力墙壁厚10 mm，高厚比为λ＝330。凸筋高度为3 mm，凸筋沿水平方向布置。钢板剪力墙与上下两侧的框架梁相连，为两边连接钢板剪力墙。钢板剪力墙试件凸筋间距取0 mm(对比试件)、50 mm、150 mm和300 mm四组，如表3所示。单面凸筋和双面凸筋钢板剪力墙试件各3个，再加上1对照试件，共计7个分析试件。

表3 带凸筋钢板剪力墙有限元分析试件

4.2 应力分布

4.2.1 圆钢管柱

不同径厚比下，不带肋和带肋(凸筋间距50 mm)的圆钢管柱极限承载力下的应力云图如图4所示。

图4 圆钢管应力

可以看出，添加纵凸筋可以有效改善钢管部分的受力，使得钢管受力更加均匀，钢管性能得到更充分发挥。

4.2.2 方钢管柱

不同径厚比下，不带肋和带肋(凸筋间距100 mm)的方钢管柱在极限承载力下的应力云图如图5所示。可以看出，纵凸筋设置对方钢管柱应力分布影响不大。

图5 方钢管柱应力

4.2.3 钢板剪力墙

不同凸筋类型下的剪力墙一阶屈曲模态和极限承载力下的应力云图见图6。可以看出，在单面布置时，对屈曲模态影响不大，但应力分布出现了明显区别，板中部受力减小，更多地出现在角部；在双面布置时，一阶屈曲模态没有明显改变，荷载分布也近似。

图6 钢板剪力墙试件一阶屈曲模态及应力

4.3 荷载位移曲线

4.3.1 圆钢管柱

不同径厚比圆钢管柱的荷载位移曲线如图7所示。可以看出，随凸筋间距减小，D/t＝60时，圆钢管柱的极限承载力提高了6%；当径厚比较大时，提升效果更为明显，极限承载力提高了18%。凸筋间距的减小同样明显改善了圆钢管柱的变形能力，提升幅度在30%以上；但是当间距在150 mm以下时，进一步减小凸筋间距，特别是在径厚比较小时，并不能继续改善变形能力。

图7 圆钢管柱荷载－位移曲线

为了确认承载力提升是由于用钢量的增加还是纵凸筋的影响，本文计算了圆钢管柱试件单位用钢量承载力，并进行归一化处理(以对比试件单位用钢量承载力为基准，带凸筋试件单位用钢量承载力与对比试件单位用钢量承载力相除，得到归一化的单位用钢量承载力)，结果如表4所示。可以看出，对于带纵凸筋圆钢管柱，当径厚比为60时，随凸筋间距减小，单位用钢量承载力逐渐降低；当径厚比为120时，则呈现出相反的趋势，凸筋间距减小可以有效提升单位用钢量承载力。总体变化区间在－1.4%～9.5%之间。

表4 圆钢管柱试件单位用钢量承载力计算结果

4.3.2 方钢管柱

不同径厚比方钢管柱的荷载位移曲线如图8所示。可以看出，随凸筋间距的减小，b/t＝30和70时，方钢管柱的极限承载力分别提高了7%和8%，差别不大。凸筋间距的减小对方钢管柱的变形能力影响不大。

图8 方钢管柱荷载－位移曲线

对方钢管柱进行归一化处理，结果如表5所示。可以看到，对于带纵凸筋方钢管柱，单位用钢量承载力变化不大，总体变化区间在－1.3%～0.6%之间，这可能是由于带纵凸筋板上凸筋高度较小，导致凸筋刚度较弱，不能完全起到加劲肋的作用。

表5 方钢管柱试件单位用钢量承载力计算结果

4.3.3 钢板剪力墙

不同凸筋类型的剪力墙荷载位移曲线如图9所示，单位用钢量承载力计算结果如表6所示。可以看到，随凸筋间距的减小，单面和双面布置凸筋的剪力墙极限承载力分别提高了7%和12%，但是单位用钢量承载力逐渐减小。双面布置凸筋的剪力墙，其变形能力随凸筋间距减小得到改善，最多增加了15%，但单面布置凸筋的剪力墙变形能力随凸筋间距减小先增大后减小，这可能是由于凸筋改善了其变形能力，但是随着间距减小，不对称性增强，抵消了这种增益。

图9 剪力墙荷载－位移曲线

表6 剪力墙试件单位用钢量承载力计算结果

5 结论

为了论证带纵凸筋钢板在建筑中应用的可行性，进行了带纵凸筋建筑结构构件受力性能有限元分析。在验证有限元模型的基础上，进行带纵凸筋钢板在圆钢管柱、方钢管柱和剪力墙3种构件、25个试件中应用的有限元分析。重点考察了纵凸筋板凸筋间距和类型(单/双面)的变化对不同径(宽)厚比的圆(方)钢管柱和剪力墙受力性能的影响，得到以下结论:

(1)带纵凸筋钢板可有效改善圆钢管柱的应力分布，提高变形能力，提升幅度在30%以上，但是对方钢管柱和剪力墙的应力分布和变形能力影响不大。

(2)使用带纵凸筋钢板虽然可以提高试件的承载能力，但这主要是由于用钢量提升所导致，其单位用钢量承载力变化不大，总体变化区间在－1.9%～9.5%，这可能是由于凸筋板起筋高度较小，不能完全起到加劲肋作用所导致。大径厚比的圆钢管柱虽然单位用钢量承载力随凸筋间距减小有明显的提升，但仍小于配筋带来的影响。

(3)为提高纵凸筋板在建筑钢结构中应用效果，建议进一步进行纵凸筋板轧制技术研究，分析起筋高度大于0.3倍基板厚度、凸筋间距小于50 mm的纵凸筋板的轧制可行性。