加劲肋对VV-SPSW剪切屈曲性能影响分析★

马 钺 尚庆圆 李 达

(1.阳泉市建筑设计院，山西 阳泉 045000;2.中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司，北京 100013; 3.山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

加劲肋对VV-SPSW剪切屈曲性能影响分析★

马 钺1尚庆圆2李 达3

(1.阳泉市建筑设计院，山西 阳泉 045000;2.中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司，北京 100013; 3.山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

采用有限元软件ANSYS10.0对多组VV-SPSW模型进行数值模拟，分析了肋板刚度比、加劲肋根数、加劲肋数量等对VV-SPSW剪切屈曲性能的影响，并给出了VV-SPSW的加劲肋设计的合理建议，为同类工程问题的研究提供了参考依据。

加劲肋，VV-SPSW，剪切屈曲性能

1 概述

VV-SPSW(Vertical Connected Steel Plate Shear Wall with Vertical Stiffeners)是仅与框架梁竖向相连的竖加劲钢板剪力墙(见图1)，竖向加劲肋可避免填钢板较早发生屈曲，提高构件的初始刚度和极限承载力，与柱脱缝则可以避免框架柱的过早破坏，在高层结构中将其与钢框架结合可以形成很好的多重抗侧力结构体系。

对VV-SPSW力学性能的研究尚处于初步阶段。本文利用有限元软件对VV-SPSW的剪切屈曲性能进行了参数化数值模拟，分析了加劲肋各指标对其剪切屈曲性能的影响，对加劲肋设计提出了有益的建议。

2 数值模拟

采用有限元软件ANSYS10.0对跨高比区间为[0.50，2.50]的270多个单板计算模型进行剪切荷载作用下的特征值屈曲分析。所有构件采用Shell181单元，自适应方法划分单元网格；水平剪力以水平集中荷载的方式施加于顶边耦合集的主节点，使用位移加载；不考虑钢板墙的初始缺陷。钢材为Q235，弹性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.3。在剪切作用下，根据受剪后面外变形在内填钢板墙中出现的位置可以分为整体屈曲和局部屈曲两种(见图2，图3)。

3 加劲肋影响因素一——肋板刚度比

肋板刚度比η是影响加劲钢板墙力学性能的无量纲参数，可用式(1)表示：

(1)

其中，E为弹性模量；Is为加劲肋绕内置钢板形心轴的截面惯性矩；D为内置钢板柱面刚度；t为钢板厚度；L为钢板墙跨度；μ为钢材泊松比。已有研究表明在加劲肋数量一定的条件下，只要η值相等，钢板的弹性剪切屈曲系数的变化就非常小，因此η是一个衡量边框对板约束程度的合理参数。

有限元模型中，板侧加劲肋为方钢管截面，板内加劲肋为槽钢截面。参考《国标热轧型钢》和《结构用冷弯空心型钢》，并结合工程中实际应用情况，将加劲肋截面分为以下三组：第一组：板侧加劲肋为方钢管120 mm×8 mm，板内加劲肋为槽钢[10；第二组：板侧加劲肋为方钢管120 mm×8 mm，板内加劲肋为槽钢[12.6；第三组：板侧加劲肋为方钢管150 mm×8 mm，板内加劲肋为槽钢[14b。

分析表明，屈曲系数kτ随η的增加而增大，当η增加到一定数值范围内，曲线的斜率开始变小，即屈曲系数的增大速率开始变小；即中部槽钢加劲肋与肋板刚度比值较小时，钢板墙剪切屈曲系数变化较快，而当刚度系数较大时，特征值屈曲系数的增长较为缓慢，继续增加肋板刚度比对临界屈曲系数kτ提高的效果并不明显。

同一跨高比不同加劲肋数量所对应的特征值屈曲系数随着肋板刚度比的增加相差逐渐增大；但是在同一跨高比和加劲肋数量不变的条件下变化加劲肋截面大小时，特征值屈曲系数的变化趋势几乎完全重合；这说明加劲肋数量是影响特征值屈曲系数的一个重要因素，而加劲肋截面对临界屈曲特征值系数影响相对较小。

图4为跨高比λ=1.5时屈曲系数kτ随η及加劲肋截面及数量变化的关系曲线。

4 加劲肋影响因素二——加劲肋数量

根据所选试件模型，加劲肋数量分别为m=1,2,3,4,5。从图5可见，钢板墙特征值屈曲荷载的提高比率随着加劲肋数量的增加而增大；但是随着钢板墙厚度的增加提高幅度逐渐下降。当L/H<1时提高比随着跨高比的增加而减小，当L/H≥1时随着跨高比的增加而增大。

中部槽钢加劲肋数量变化的条件下，随着各个参数量的增加其屈曲荷载的提高比率增幅逐渐下降。例如加劲肋数量从1～3的过程中，随着钢板墙厚度的增加，临界特征值屈曲荷载提高幅度减小，而且随着跨高比的增加其临界屈曲荷载的提高幅度也有所下降。进一步的多组比较，同样得出加劲肋数量变化下的屈曲荷载提高幅度变化趋势类似的结论。

5 加劲肋影响因素三——加劲肋截面

尽管加劲肋截面对特征值屈曲系数的影响不是很大，但是对临界屈曲荷载的提高还是有影响的。选择槽钢[10和[12.6及方钢管100 mm×8 mm和130 mm×8 mm四种加劲肋截面，在钢板墙厚度、加劲肋数量及跨高比一定的条件下，临界屈曲荷载随加劲肋截面增加而增大，其临界屈曲荷载提高率在11.98%～18.69%之间，平均提高率为15.86%。

加劲肋数量和面积变化的各个计算模型的特征值屈曲系数随着肋板刚度系数比的变化图以及量化分析可知：单片钢板墙的特征值屈曲系数随着η系数的增加而增大，二者的变化并不满足线性比例关系。在肋板刚度比系数较小的范围内，屈曲系数的变化率较大，但是随着η增大到一定范围时，屈曲系数的增加开始变得缓慢。进而使得增大加劲肋截面和数量并不能很有效的获得相应的临界应力，从使用角度和经济成本出发，在一定跨高比的条件下，一味的增加加劲肋截面和数量必要性不大。

由上述加劲肋截面对屈曲系数的影响分析可以看出，加劲肋截面面积对弹性屈曲系数的影响很小；在同一跨高比内，加劲肋的数量对弹性屈曲系数有一定的影响。

6 结语

1)肋板刚度比、加劲肋根数和加劲肋截面的大小都会影响VV-SPSW的剪切屈曲性能。其中以肋板刚度比的影响最大。

2)剪切屈曲系数kτ随肋板刚度比η的增加而增大，尤以板内加劲肋的影响最为显著。但当η增加到一定数量时，kτ的增速变缓。

3)加劲肋的根数对剪切屈曲系数的影响程度大于加劲肋截面的影响程度。因此，在相同用钢量的前提下，增加加劲肋根数可以更有效地提高VV-SPSW剪切屈曲性能。

[1] 尚庆圆.竖向加劲式钢板剪力墙的稳定性分析[D].北京：北京科技大学硕士学位论文，2012.

[2] 周吉祥，牟在根，李黎明.竖向加劲式钢板剪力墙的抗剪性能[J].北京科技大学学报，2013,35(2)：256-264.

[3] 牟在根，薛 园，李黎明.三层三跨钢框架—钢板剪力墙抗震性能试验[J].东北大学学报(自然科学版)，2013，34(8)：1196-1201.

[4] 牟在根，张福建，尚庆圆，等.两边连接竖向加劲式钢板剪力墙试验研究[J].东北大学学报(自然科学版)，2014，35(11)：1631-1635.

[5] 薛 园，苏 珉，马 东，等.两边连接竖向加劲钢板剪力墙滞回性能研究[J].钢结构，2014(12)：1-7.

Ribbed stiffeners impact analysis of VV-SPSW shear buckling performance★

Ma Yue1Shang Qingyuan2Li Da3

(1.YangquanArchitectureDesignInstitute,Yangquan045000,China;2.CABRTECH,Beijing100013,China； 3.ShanxiInstituteofTechnology,Yangquan045000,China)

Many sets of VV-SPSW models are numerically simulate by finite element software ANSYS10.0, and analyse the effect of ribbed stiffener-plate stiffness ratio, ribbed stiffener numbers and ribbed stiffener cross-sectional area on the shear buckling performance of the VV-SPSW, (then) give reasonable suggestions about the ribbed stiffener design of the VV-SPSW, it provides reference for similar engineering problems research.

ribbed stiffener， VV-SPSW， shear buckling performance

2015-06-25★：山西省自然科学基金资助项目(项目编号：2013011027-2)

马 钺(1975- )，男，工程师; 尚庆圆(1985- )，男，工程师; 李 达(1969- )，男，副教授

1009-6825(2015)25-0033-02

TU398.2

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