考虑竖向荷载的加劲钢板剪力墙设计技术研究

论文摘要

钢板剪力墙体系是一种有效的抗侧力体系,以较高的侧向刚度、良好的延性、优异的能量耗散能力和很高的安全储备等优点为多层钢结构建筑提供了一种新型有效的选择。钢板剪力墙具有较高的初始刚度和屈曲后刚度,能很好的弥补钢框架-混凝土核心筒发生开裂、强度和刚度退化的不足;与钢筋混凝土剪力墙相比,具有很好的延性和滞回性能;与钢斜支撑结构相比,钢板剪力墙因为形状是矩形的,加工、安装、运输均很方便,制作和安装成本大幅度下降。但是《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）中对钢板剪力墙的规定不能指导工程设计,因此大大影响了钢板墙的推广。我国现行《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）规定钢板墙剪切弹性屈曲不先于剪切屈服,这就导致钢板很厚或者加劲肋很密,无法发挥钢板墙经济轻巧的优势,密肋加劲也增加了施工难度,而且与国外实际应用不符,从日本的实际应用来看,加劲肋数目很少,远达不到密肋加劲。本论文基于国内外学者已有研究成果,分别对纵向加劲,纵横加劲、非加劲钢板剪力墙进行了有限元模拟和弹性屈曲研究。首先研究了纵向加劲钢板剪力墙的剪切屈曲性能,分析了加劲肋刚度、加劲肋数目、区格宽高比对钢板墙剪切屈曲性能的影响,发现区格宽高比和加劲肋刚度系数对剪切屈曲系数有很大影响,并提出了门槛刚度计算公式,新公式考虑了加劲肋扭转刚度的加劲肋门槛刚度的影响。然后研究了纵横加劲钢板剪力墙的剪切屈曲性能,通过对一横多纵,两横多纵和三横多纵系列的研究,提出了纵横加劲钢板墙的屈曲系数计算公式以及门槛刚度计算公式,公式精度良好,有望在工程中应用。研究过程中同样考虑了边框扭转约束对屈曲系数的影响,用新标准衡量钢板墙的剪切屈曲系数和门槛刚度。本文还研究了不同边界条件压剪矩形板的屈曲,其中包括四边简支、两侧边固支、四边固支三种情况,通过改变压应力和剪应力的加载比例以及矩形钢板的宽高比得到一系列计算模型,用ANSYS软件对这一系列模型进行屈曲分析,验证了已有剪压板弹性屈曲条件公式,确定了公式适用范围,提出了适用范围之外的弹性屈曲条件公式,公式具有较高精度。最后,本文针对目前钢板墙基本假定与实际受力不符的情况,考虑了竖向荷载对钢板剪力墙的影响,进一步研究了非加劲钢板墙在压剪作用下边框扭转刚度对钢板屈曲性能的影响;然后建立有限元模型分析不同压剪比例情况下纵向加劲钢板墙的门槛刚度和屈曲应力,用有限元软件研究其屈曲性能和门槛刚度,分析了屈曲应力与加劲刚度的关系,得出了加劲肋门槛刚度的计算公式。研究结果表明曲线变化趋势随着压剪比例的增大,从纯剪状态逐渐趋于纯压状态。本文所得到的成果如下:1、提出了加劲肋门槛刚度的判定标准,新标准考虑了加劲肋扭转刚度的影响;2、提出稀疏加劲钢板墙在纯剪状态下的门槛刚度公式和纵横加劲钢板墙剪切屈曲系数与加劲刚度的关系公式,公式具有较高精度,可以用于工程设计。3、研究了压剪作用下弹性屈曲条件,验证了已有公式的适用范围,并提出了适用范围之外的弹性屈曲条件公式,公式结果与数值模拟结果的比较表明,新公式具有良好的精度。本文所研究的稀疏加劲钢板墙对推进钢板墙结构体系的应用,实现钢结构住宅抗侧力体系的工业化具有一定推动价值,并可在一定程度上解决影响住宅产业化一个瓶颈问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 钢板剪力墙结构体系
• 1.3 钢板剪力墙研究现状及不足之处
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 我国研究现状
• 1.3.3 钢板剪力墙理论研究的不足
• 1.4 本文研究的内容、方法和意义
• 第2章 基本理论
• 2.1 薄板稳定理论概述
• 2.1.1 板的稳定问题常用分析方法
• 2.1.2 板的屈曲性能理论研究
• 2.2 考虑边框约束的基本依据
• 第3章 纵向加劲钢板墙弹性剪切屈曲性能
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型介绍和验证
• 3.3 有限元分析过程和结果
• 3.3.1 η参数的确定和验证
• 3.3.2 屈曲系数研究
• 3.3.3 门槛刚度研究
• 3.3.4 加劲肋扭转刚度的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 纵横加劲钢板墙弹性剪切屈曲性能
• 4.1 引言
• 4.2 加劲肋扭转刚度研究
• 4.2.1 η参数的确定和验证
• 4.2.2 扭转刚度η对屈曲系数的影响
• 4.3 有限元模型介绍和验证
• 4.4 结果整理和分析
• 4.4.1 一横多纵钢板墙剪切屈曲性能研究
• 4.4.2 两横多纵钢板墙剪切屈曲性能研究
• 4.4.3 三横多纵钢板墙剪切屈曲性能研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 考虑竖向荷载非加劲钢板墙弹性屈曲性能
• 5.1 引言
• 5.2 不同边界条件剪压矩形板弹性屈曲条件
• 5.2.1 剪压板弹性屈曲条件
• 5.2.2 分析方法介绍及模型验证
• 5.2.3 不同边界条件压剪板弹性屈曲条件研究
• 5.3 两侧边框对压剪矩形板弹性屈曲应力的影响
• 5.3.1 模型介绍和验证
• 5.3.2 η系数的验证
• 5.3.3 扭转刚度η 对屈曲应力的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 考虑竖向荷载加劲钢板墙弹性屈曲性能
• 6.1 引言
• 6.2 受压加劲板屈曲性能研究
• 6.2.1 受压加劲板整体屈曲研究
• 6.2.2 受压加劲板局部屈曲研究
• 6.2.3 受压纵向加劲板屈曲性能研究
• 6.3 压剪组合荷载下钢板墙屈曲性能研究
• 6.3.1 模型介绍和验证
• 6.3.2 计算结果整理分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢