
C型钢板剪力墙截面特性分析.docx
7页C 型钢板剪力墙截面特性分析杭州恒达钢构股份有限公司(费建伟 陆晓明),杭州,311217摘 要: C 形钢板剪力墙以其独特的构造,能较好的适应高层建筑的功能和结构受力要求对其特殊截面 的剪切中心进行理论分析,采用近似法和精确法两种方式加以阐述;对多块钢板组成的构件,其板件局部 稳定性能进行有限元分析,分析结果与四边简支板件的临界值较吻合,可确定板组约束系数通过有限元 分析板件的局部屈曲,可更清楚的认识板件屈曲特性关键词:C形钢板剪力墙,剪切中心,局部稳定,屈曲C-type steel plate shear wall section properties analysisHangzhou Hengda Steel Co., Ltd., Hangzhou, 311217Abstract: C-shaped steel plate shear wall with its unique structure, can better adapt the function of high-rise buildings and the force requirements of structures. Conducted a special section of its shear center theoretical analysis,using accurate and approximation method two ways to elaborate; member of the multi-block steel plates, the plates locally stable performance by finite element analysis, comparing the results with the critical value of four edges simply supported plate is coincide, the coefficient of plates set of constraints can be determined.Local buckling of plates by finite element analysis can be more aware of the plate buckling characteristics.Keywords: C-shaped steel plate shear wall, shear center, local stability, buckling1 前言构件的截面特性包括面积,惯性矩,形心等,在不同的受荷条件下,其受力性能将由 截面特性决定,比如在轴向荷载作用下,荷载通过形心则为轴心受力状态,否则存在偏心力 矩;在剪力荷载作用下,荷载通过剪心为受弯状态,否则为弯扭受力状态。
构件将根据不同 的受力状态,形成不同的截面应力类型,各应力分量按强度准则进行组合与材料强度设计值 进行比较,来确定构件安全性能2 工程概况香格国际广场二期项目位于慈溪市市中心,总投资15亿元,地下 3 层,地上 54层,高 208米,总建筑面积约14.683万平方米,采用全钢结构,用钢量约2 万吨该工程由曾设计 了包括世界第一高楼迪拜哈利法塔、上海金茂大厦、中国工商银行总部等世界各地著名建筑 的美国SOM公司设计建筑总体呈精致的方形几何造型,是SOM公司首次为中国三线城 市创作的城市标志性建筑该工程制作工艺要求高,现场焊接工作量大,焊接变形控制要求 严格工程效果图见图 1随着人们对居住条件的不断提高,需要结构方案进行不断创新,包括适应建筑需要的复杂构件,传力方式等,对于斜向角度,多维连接等异形构件的需要,本工程设计出C形钢板剪力墙构件,构件中的加劲板相当于腹板,两侧的主钢板相当于翼缘板,可满足钢梁连接方 向的抗弯刚度,根据加劲肋的布置可实现楼面钢梁在剪力墙构件上的多维连接C形剪力墙 构件形状类似无卷边的槽钢,只是上、下翼缘与腹板不是呈垂直状态,而是呈钝角状态的三肢剪力墙,因此又具有剪力墙抗侧刚度高的特性。
图 2 各截面剪切中心示意图3 C 型钢板剪力墙截面特性分析3.1 剪切中心计算力通过截面某一点,却不致使截面的形心发生转动,称该点为截面的剪切中心,也称 弯曲中心[1] 工程设计上,尽量让荷载通过受弯构件的剪切中心,或者能保证受弯构件的扭 转变形受到约束,否则计算受弯构件的强度和稳定较复杂1)近似分析法C 型截面是介于槽型截面与矩形截面之间的过渡形状,槽钢截面其剪切中心位于腹板外 侧,矩形截面其剪切中心位于腹板中间,而C型截面是由槽钢截面的上、下翼缘绕腹板与翼 缘的交点旋转而形成的剪切中心是由各板件剪力流的交汇决定的,因此可以由上、下翼缘 的交汇点,大致确定C型截面的剪切中心位于槽钢截面的剪切中心与矩形截面的剪切中心之 间,其距离腹板中心的大小由翼缘占腹板长度比值和翼缘与腹板的夹角确定剪切中心示意 图见图 2 所示2)精确计算法a)截面尺寸图 3 截面特性C 型截面为单轴对称截面,其剪心位于截面的对称轴上[2,] 为了确定剪心距 x0 ,先算出 截面各部分对x轴的静距截面尺寸及截面静距分布见图3所示s2 - (b + 2)s)t,上翼缘 1-2:S = Js ytds =Js ( s - b - — )tds =12 0 0 2 2当 s 二 0 时,si - o;当s = ^2b时,丁弋b2吟叽腹板 2-4:S = Js ytds 2b ytds + Jytds = s +Js_ (- — + (s - \2b))tds ,24 0 0 "'2b 2 12b 2S = s - (h(s -\.2b) - (s -\ 2b)2)t/2,24 2当 s = x 2b 时,s=拧b2 +-22当 s = <2b + -时,s = sth 22328当 s = J2b + h 时,s = s42下翼缘 4-5:兀 bh—);S = Js ytds =J 2b+h ytds + Js_ ytds = s + Js_ ( (s -(、[2b + —)) + — )tds ,45 0 0 - 2b+h 4 ■ 2b+h 2 2S = s + C 2(X s2 -(41b + h)s) + hs + (41b + h)(b +^^~2h))t,45 4 2 2 2 2 4当 s = J2b + h 时,s 二 s ;4 2当 s = 2、】2b + h 时,s = 0;5在确定剪心距之前,先算出截面形心至腹板中心线的距离e和对x轴的惯性矩I ,x2、2tb x b / 2 <2tb 2 t 2t h + b.e = = ,I = h3 + b3 + 2、:2bt( )2,2j2tb + th 2、:2tb + th x 12 12 21则,X =- "S p ds,上翼缘的极距P,下翼缘的极距p,腹板的极距e,则上式中0 I 0 x 0 1 1xh28h))的积分部分可以用图乘法得到,(s xJ2b x p + e(s x h - t1 2 33.2 钢管壁的局部稳定分析根据文献 3 第 5 章有关板件局部稳定的介绍可知,四边简支板的临界应力为N 7 兀 2 E /t、G = ―xcr = k ( — )2 ,xcr t 12(1-v2) b若考虑板组约束则 板 件的 稳定 应力为N , 兀2 EG = 一 = /k G-)2,其中x为板组约束系数,xcr t 12(1-v2) b本工程 C 形钢板剪力墙构件经有限元屈曲分析得知,板件屈曲模态呈对称分布,原因是 结构呈对称分布;第 1、2阶屈曲变形分别位于两翼缘部位,同理第3、4阶屈曲模态也类似, 第 5、6 阶屈曲模态也是类似。
经分析得到第1、3、5 阶屈曲模特见图4 所示对于此构件 板件屈曲部位板件无支撑宽度为945mm,厚度30mm,则按四边简支板的临界应力为Gxcr4x 3.14162 x 2e5 ( 3012(1-0.32) (945)2 = 728.7Mpa,一阶屈曲模态屈曲因子为3727740N,此板件上有6个节点,包括端部2节点是共用3块板件,受荷载大小为 3727740x ( 6+2/3 ) =24851600N , 有 限 元 理 论 计 算 得 到 临 界 应 力 为 ,G = 住= =876.6Mpa,则板组约束系数为x = 876.6/728.7 = 1.2,工程xcr t 945x 30设计中便于安全,可取板组约束系数为1.0,则板件稳定局部稳定按四边简支来考虑由图 4可知,板件的局部屈曲将在某个刚度较弱的区域发生,波及周边区域,形成波浪形变形, 犹如正弦曲线,但能量逐渐减弱,正弦幅值越来越小板件在荷载达到临界值时的形态改变 也是能量的转换,两者同时发生,由临界状态之前的轴向应变能转换为屈曲时板件外鼓,以 弯曲应变能为主和部分轴向应变能1)第 1阶屈曲模态3)第5 阶屈曲模态4 小结本文对工程中遇到的C形钢绍其截面特性和板件局部稳定计算。
根据剪切中心的计算方法,推导计算算公式,便于工程运用;对于局部稳定的计算,采用有限元方法来确定,对比吻合度较高同时,通过有限元分析,更清楚的认识板件屈曲特性参考文献[1] 铁木辛柯,弹性理论[M],高等教育出版社,2013.5.1[2] 陈骥,钢结构稳定理论与设计[M],科学出版社,2011.4[3] 沈组炎等,钢结构基本原理[M],中国建筑工业出版社,2006.2。












