验证带钢板仓钢框架的建模合理性

步伏程 孙大公 许荣华 张国庆

摘要：带钢板仓的钢框架是一种抗侧力构件，是以钢板和钢框架组成基本单元。PKPM设计软件无法建立钢板，仅用支撑进行等效，此等效的合理性有待商榷。基于ABAQUS软件，建立了考虑材料非线性和几何非线性影响的带钢板仓钢框架以及支撑钢框架的有限元分析模型，验证PKPM建模的合理性。分析带钢板仓钢框架中钢板厚度对其水平承载力和延性性能的影响。结果表明，带钢板仓钢框架具有较高的水平承载力和良好的变形能力，Φ180×5.0圆钢管支撑可以等效3mm板厚的带钢板仓钢框架。

关键词：钢板仓;钢框架;延性性能;承载力

工程为约旦JAZEERA主车间的EPC项目。结构局部设置钢板仓，导致实际工程中钢框架局部位无法设置支撑。由于钢板仓类似钢板剪力墙，是抗侧力构件。但PKPM设计软件无法建立钢板，仅用Φ180×5.0圆钢管支撑进行等效，此等效的合理性有待研究。目前国内关于带钢板仓钢框架的研究处于空白状态。为研究其受力性能，参考钢板剪力墙的研究方法，利用有限元分析软件 ABAQUS建立带支撑的钢框架以及带钢板仓的钢框架有限元模型，分析其在水平单向荷载作用下的受力性能，分析其破坏形态，等效的合理性并研究钢板仓的钢板的厚度对其水平承载力、延性性能及变形能力的影响。

一、有限元分析模型

钢材采用ABAQUS有限元软件建立考虑几何非线性和材料非线性的三维壳体模型，单元类型为S4R。模型底部全部固接，顶部约束平面外的位移，因为钢板仓设置在顶部，所以忽略二阶效应对结构的影响。在顶部施加水平荷载以模拟构件所受的水平力，加载方式采用位移控制。钢材采用Q345B满足Mises屈服准则的等向弹塑性模型，弹性模量取2.06x105 MPa，泊松比取0.3。本构关系采用二折线模型，其应力-应变表达式为：

为分析Φ180×5.0圆钢管支撑以及钢板厚度对整个结构抗侧刚度的影响，通过ABAQUS有限元软件设计了一组（BF1）带圆钢管支撑的钢框架，以及6组（SF1～SF6）钢板厚度t分别为 1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 mm的带钢板仓的钢框架模型，具体几何参数，如图1。

以层间侧移角达到1/250为结构弹性状态，即最大位移取36mm，以层间侧移角达到1/50为结构失效状态，即最大位移取180mm。结构的初始缺陷包含结构整体的初始几何缺陷和構件的初始几何缺陷、残余应力及初偏心。结构的初始几何缺陷包括节点位置的安装偏差、杆件的初弯曲、杆件对节点的偏心等。一般，结构的整体初始几何缺陷的最大值可根据施工验收规范所规定的最大允许安装偏差取值，按最低阶屈曲模态分布，取柱高的1/1000，即9mm进行分析。一阶模态如图2。

二、计算结果分析

通过单调加载的荷载-位移曲线可以得到各个模型的强度、刚度以及延性等力学性能，具体数值见表1.

（一）承载能力

由图3可知，各个模型都具有明显的弹性段、强化段和塑性段。结合表1和图3可以看出：

1.支撑钢框架的屈服荷载为762.47kN，极限荷载为693.71kN。

2.钢板仓框架随着钢板厚度的增加，其屈服荷载和极限荷载都增大。钢板仓每增加0.5mm，SF2相较于SF1，其屈服荷载和极限荷载增幅分别达到19.41%和18.63%，为荷载增幅最大;SF6相较于SF5，其屈服荷载和极限荷载增幅分别达到14.14%和12.06%，为荷载增幅次之。

3.进行等效处理，板厚2.5mm为临界点。此时SF4相较BF1屈服荷载低0.71%，所以板厚大于2.5mm，PKPM软件中即可用支撑钢框架等效钢板仓框架，随着钢板仓厚度的增加结构趋于安全，但厚度也不能过大，这样会导致整体结构一阶模态为扭。

（二）初始刚度

初始刚度是荷载移曲线在原点处的切线斜率，能够反映出结构的承载能力和稳定性。从表1中的数据可以得知：

1.随着钢板仓厚度的增加，初始刚度亦增加。

2.进行等效处理，板厚2.5mm为临界点。此时SF4相较BF1初始刚度低5.4%，所以板厚大于2.5mm，PKPM软件中即可用支撑钢框架等效钢板仓框架，表1中SF5和SF6是合适的。SF5相较SF4初始刚度提高21.13%，而SF6相较SF5初始刚度仅提高4.4%。所以设计时用Φ180×5.0圆钢管支撑等效3mm厚的钢板仓是最为安全和经济的。

（三）延性分析

从表1的结果可以看出，支撑钢框架以及各种厚度的钢板仓框架的延性系数均在3.51～5.77，说明具有较大的延性和变形能力。整体上，随着钢板仓厚度的增加，延性系数相应增加。但当钢板厚度达到3mm，增加钢板厚度时，延性系数降低。所以用Φ180×5.0圆钢管支撑等效3mm厚的钢板仓是最为合适的。

（四）应力分布与变形分析

1.如图4，支撑钢框架中钢框架的应力相对较小，应力最大处发生在Φ180×5.0圆钢管支撑上。在加载过程中，圆钢管支撑应力逐渐增大，最终发生屈曲破坏，同时梁两端也产生塑性铰。

2.如图5，钢板仓钢框架应力最大处集中于斜向对角拉力带上，在整个破坏过程中结构属于延性破坏。

三、结语

结论主要有以下几点：

1.带钢板仓钢框架中钢板厚度的增加，结构的屈服荷载，极限荷载以及初始刚度相应提高。

2.可以用Φ180×5.0圆钢管支撑等效3mm板厚的带钢板仓钢框架。

参考文献：

[1]田炜烽，左进博，钟炜辉，郝际平.任意厚度非加劲钢板剪力墙与防屈曲钢板剪力墙的通用拉杆模型[J].建筑结构报，2021，42（09）：148-158.