本發(fā)明涉及一種鋼板剪力墻，屬于建設工程技術(shù)領域，尤其涉及一種圓弧形切口非加勁鋼板剪力墻的模擬算法。

背景技術(shù)：

鋼板剪力墻是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型抗側(cè)力構(gòu)件，根據(jù)構(gòu)造形式不同可以將鋼板剪力墻分為五類：非加勁鋼板剪力墻、加勁鋼板剪力墻、防屈曲鋼板剪力墻、鋼板組合剪力墻以及開縫鋼板剪力墻。相比于鋼筋混凝土剪力墻，鋼板剪力墻的尺寸小、自重輕、增加房屋的使用面積、降低基礎造價、經(jīng)濟效益好，同時其還具有抗側(cè)剛度大、抗剪承載力高、延性好以及耗能能力強的特點，因此，鋼板剪力墻成為最具有發(fā)展前景的高層抗側(cè)力體系之一。

現(xiàn)行的jgj/t380-2015《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定：鋼板剪力墻宜按不承受豎向荷載設計計算，并應采用相應的構(gòu)造和施工措施來實現(xiàn)計算假定。豎向荷載會使非加勁鋼板剪力墻的內(nèi)嵌鋼板產(chǎn)生鼓曲，這對非加勁鋼板剪力墻的抗側(cè)能力、抗側(cè)剛度以及耗能能力均會產(chǎn)生不利影響。為了實現(xiàn)鋼板剪力墻不承受豎向荷載的計算假定，工程實踐中的通常做法是先施工主體框架，待主體封頂且主要恒載均已施加完畢之后，再進行內(nèi)嵌鋼板的安裝，該種做法存在以下幾個問題，一是，會延長施工周期；二是，在風荷載作用下，沒有鋼板剪力墻提供抗側(cè)力會導致建筑結(jié)構(gòu)變形過大；三是，裝修層等附加恒載以及使用荷載均是在內(nèi)嵌鋼板安裝后施加的，豎向荷載仍會傳遞到鋼板剪力墻上。另一種方法是將內(nèi)嵌鋼板的安裝滯后于主體框架數(shù)層，與上一種方法相比，該種做法施工周期短，且在施工過程中，結(jié)構(gòu)具有一定的抗側(cè)剛度，但根本的問題是非加勁鋼板剪力墻仍不可避免的承擔部分豎向荷載。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)要求，鋼板剪力墻不宜承受除自重以外的豎向載荷，這在實際的設計、施工和使用中是很難保證的，因此，避免鋼板剪力墻受豎向載荷的不利影響一直是建筑領域的難題。

如中國專利(授權(quán)公告號cn105756227a)公開了“一種多層斜向開槽的自防屈曲鋼板剪力墻及其制作方法”，包括多層斜向開槽的鋼板剪力墻，斜向槽的槽孔將鋼板剪力墻分隔成數(shù)條斜向板帶，同一層鋼板剪力墻的斜向槽的開槽方向相同，相鄰兩層鋼板剪力墻的斜向槽方向相反；相鄰兩層鋼板剪力墻之間通過阻尼橡膠粘結(jié)；多層鋼板剪力墻的四周連接邊緣框架；在往復水平地震荷載作用下，相同方向的斜向板帶分別處于單向受拉或單向受壓的狀態(tài)，利用某層受拉的斜向板帶的張力剛度，對另外層受壓的斜向板帶提供平面外的支撐，實現(xiàn)自防屈曲。該鋼板剪力墻主要用于解決高層建筑在水平荷載下的側(cè)向變形問題，增強多高層建筑在地震荷載下的耗能能力，而對于避免豎向荷載對剪力墻的不利影響未有涉及，另外，其制作及安裝方法均較為復雜，不利于降低成本和提高施工效率。

再如中國專利(授權(quán)公告號cn203716336u)公開了“一種側(cè)邊開洞薄鋼板剪力墻”，包括平行設置的框架柱，在平行設置的框架柱之間至少設置一對框架梁，框架柱與框架梁分別與內(nèi)嵌薄鋼板(除開洞位置)連接，在內(nèi)嵌薄鋼板開洞處兩側(cè)對稱設置有加勁肋。該實用新型可以給內(nèi)嵌薄鋼板提供較強的四邊支承，可充分發(fā)揮鋼板剪力墻“拉力場”效應，具有很高的側(cè)向承載力；同時能夠大幅降低“拉力場”對框架柱的附加彎矩，有效保護框架柱。該鋼板剪力墻可在不明顯降低側(cè)向承載力的情況下形成充分的“拉力場”，實質(zhì)是在不大幅降低鋼板剪力墻側(cè)向承載力的前提下保護剪力墻兩側(cè)的鋼柱，但對于非加勁鋼板剪力墻在施工和使用過程中會受到豎向荷載的影響未有改進；此外，該鋼板剪力墻對內(nèi)嵌薄鋼板上開設的洞口規(guī)格參數(shù)等也未有涉及，而這恰恰是影響鋼板剪力墻側(cè)向承載力的關(guān)鍵因素，且目前還沒有驗證以及獲取鋼板剪力墻開設洞口大小、規(guī)格等參數(shù)的有效算法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種圓弧形切口非加勁鋼板剪力墻的模擬算法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種圓弧形切口非加勁鋼板剪力墻的模擬算法，包括：

第一步、假定由框架柱、框架梁構(gòu)成的主體結(jié)構(gòu)規(guī)格參數(shù)，確定內(nèi)嵌鋼板的跨度、高度和厚度，所述內(nèi)嵌鋼板與框架柱和框架梁相連接，內(nèi)嵌鋼板水平向側(cè)邊開設圓弧形切口，圓弧形切口的弧長為水平向，弧高為豎向，所述圓弧形切口位于內(nèi)嵌鋼板水平向側(cè)邊的中部；

第二步、以圓弧形切口的弧長和弧高為參數(shù)變量，設計多個尺寸不同的圓弧形切口非加勁鋼板剪力墻試件；

第三步、在有限元軟件中建立非加勁鋼板剪力墻試件模型；

第四步、在鋼板剪力墻頂部框架梁上翼緣施加豎向線荷載q，由公式(1)～(3)計算q，分析得出各非加勁鋼板剪力墻試件的內(nèi)嵌鋼板承擔的豎向荷載，然后計算所承擔的豎向荷載比例ζ；

σmax＝mmax/wz≤[σ](1)

mmax＝ql²/8(2)

wz＝iz/ymax(3)

公式(1)～(3)中：[σ]為材料的許用應力，mmax為框架梁的最大彎矩，σmax為框架梁上的最大正應力，wz為彎曲截面系數(shù)，q為豎向線荷載，l為框架梁的跨度，iz為截面慣性系數(shù)，ymax為框架梁橫截面上距離中性軸最遠應力點的縱坐標；

第五步、采用與步驟四相同的方法，對在豎向荷載和水平位移荷載作用下的非加勁鋼板剪力墻試件進行有限元數(shù)值模擬，水平位移δ根據(jù)鋼板剪力墻的層間位移角θ逐級施加，層間位移角θ＝δ/h，h為加載點到柱底的距離，分析得出非加勁鋼板剪力墻試件內(nèi)嵌鋼板的抗側(cè)承載力fphv，繪制fphv與層間位移角θ的關(guān)系曲線；根據(jù)圓弧切口非加勁鋼板剪力墻試件內(nèi)嵌鋼板的彈性抗側(cè)承載力和常規(guī)鋼板剪力墻試件內(nèi)嵌鋼板的彈性抗側(cè)承載力，計算開設圓弧切口引起的內(nèi)嵌鋼板彈性抗側(cè)承載力折減率ω；

第六步、采用與步驟四和步驟四五相同的方法對在水平位移荷載作用下非加勁鋼板剪力墻試件進行有限元數(shù)值模擬，分析得出非加勁鋼板剪力墻試件的抗側(cè)承載力fph；根據(jù)步驟五得出的彈性抗側(cè)承載力fphv和本步驟得出的彈性抗側(cè)承載力fph，計算豎向荷載引起的非加勁鋼板剪力墻試件內(nèi)嵌鋼板彈性抗側(cè)承載力折減率ψ；

第七步、分析得出所述圓弧形切口弧長與內(nèi)嵌鋼板跨度的比值范圍以及圓弧形切口弧高的取值范圍。

為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，還可以采用如下技術(shù)方案：

所述圓弧形切口的弧長為內(nèi)嵌鋼板跨度的1/3～1/4倍，圓弧形切口的弧高范圍為10～15cm。

所述圓弧形切口設置在內(nèi)嵌鋼板的上側(cè)邊和下側(cè)邊。

所述圓弧形切口設置在內(nèi)嵌鋼板水平向側(cè)邊的中間位置。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

1、本算法利用有限元軟件abaqus對非加勁鋼板剪力墻進行靜力荷載作用下的數(shù)值模擬，分析得出帶有圓弧形切口的鋼板剪力墻能有效減弱豎向荷載對內(nèi)嵌鋼板抗側(cè)承載力的影響；采用本非加勁鋼板剪力墻可以有效縮短施工周期，為建筑結(jié)構(gòu)提供較好的抗側(cè)剛度。

2、經(jīng)過力學、結(jié)構(gòu)等多方面的優(yōu)化設計和模擬試驗，本非加勁鋼板剪力墻中內(nèi)嵌鋼板上開設的圓弧切口大小、參數(shù)選擇范圍科學合理、效果突出，也能較好的避免圓弧形切口過大，會造成內(nèi)嵌鋼板抗側(cè)承載力偏低；圓弧形切口過小，會使內(nèi)嵌鋼板承擔過多的豎向荷載。

3、本算法確認了圓弧形切口的弧長是影響開設圓弧切口鋼板剪力墻內(nèi)嵌鋼板抗側(cè)承載力的主要因素，工程應用中，該圓弧形切口的弧長可取值為內(nèi)嵌鋼板跨度的1/3～1/4，圓弧形切口的弧高范圍為10～15cm。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹。

圖1為本發(fā)明第一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明第二種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為所述設置不同圓弧形切口鋼板剪力墻試件內(nèi)嵌鋼板承擔豎向荷載比例的曲線；

圖4為所述設置不同圓弧形切口鋼板剪力墻試件內(nèi)嵌鋼板抗側(cè)承載力的曲線；

圖5為所述內(nèi)嵌鋼板在豎向荷載作用下彈性抗側(cè)承載力折減率的曲線。

附圖標記：1-頂部框架梁、2-底部框架梁，3-左框架柱，4-右框架柱，5-內(nèi)嵌鋼板，6-上圓弧形切口，7-下圓弧形切口。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。

實施例一：

如圖1所示，本實施例中主體結(jié)構(gòu)包括頂部框架梁1、底部框架梁2、左框架柱3、右框架柱4、內(nèi)嵌鋼板5，內(nèi)嵌鋼板5與頂部框架梁1和底部框架梁2相連接，與左、右框架柱(3、4)相連接。內(nèi)嵌鋼板5水平向側(cè)邊包括上側(cè)邊和下側(cè)邊，本實施例在內(nèi)嵌鋼板5上側(cè)邊設置有上圓弧形切口6，上圓弧形切口6的弧長lc為水平向、弧高hc為豎向。

制作時，首先根據(jù)擬建建筑物層的框架柱(3、4)高、框架梁(1、2)跨確定內(nèi)嵌鋼板的高度和跨度；然后再依據(jù)建筑抗震規(guī)范對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度、屈服承載力及耗能能力的要求，確定內(nèi)嵌鋼板5的厚度和材質(zhì)；然后進行內(nèi)嵌鋼板5預制。內(nèi)嵌鋼板5制作完成后，需要進行校正等處理以控制其平整度，保證尺寸和規(guī)格參數(shù)符合誤差要求。

安裝時，內(nèi)嵌鋼板5側(cè)邊與主體結(jié)構(gòu)通過焊接完成固定，焊接施工時采用間斷的施焊方法，減少受熱產(chǎn)生的變形；也可以采用高強度螺栓或連接板與主體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)連接固定。

實施例二：

本實施例在實施例一的基礎上進行了改進，如圖2所示，不同的是，本實施例中內(nèi)嵌鋼板5的下側(cè)邊還設置有下圓弧形切口7，2個圓弧形切口(6、7)上、下對應，均位于內(nèi)嵌鋼板5水平向側(cè)邊的中間位置，下圓弧形切口7與上圓弧切口6大小、參數(shù)設置相同，弧長lc為水平向，弧高hc為豎向。

結(jié)合實施例二，對本算法說明如下：

(1)頂部框架梁1、底部框架梁2選用600×300×30×40mm的工字型截面，左框架柱3、右框架柱4選用400×400×50mm的箱型截面，內(nèi)嵌鋼板5的跨度le和高度均為3000mm，厚度tw為10mm，高厚比λ為300，內(nèi)嵌鋼板5選用低屈服點的q235鋼材，頂部框架梁1、底部框架梁2、左框架柱3、右框架柱4均為q345鋼材，圓弧形切口5的弧長lc和弧高hc為參數(shù)變量，鋼板剪力墻試件參數(shù)詳見表1，其中spsw為常規(guī)鋼板剪力墻試件，l1-1～l1-4、l2-1～l2-4為兩組以弧長lc為參數(shù)變量的鋼板剪力墻試件，h3-1～h3-4、h4-1～h4-4為兩組以弧高hc為參數(shù)變量的鋼板剪力墻試件；

(2)在有限元軟件abaqus中建立非加勁鋼板剪力墻試件模型：單元類型為s4r殼單元；頂部框架梁1、底部框架梁2與左框架柱3、右框架柱4均為綁定連接，內(nèi)嵌鋼板5與主體結(jié)構(gòu)同為綁定連接，對內(nèi)嵌鋼板5底部施加固定約束，對左框架柱3、右框架柱4的底部施加鉸接約束，同時限制頂部框架梁1、底部框架梁2腹板的平面外位移，耦合頂部框架梁1所對應左框架柱3外側(cè)所有節(jié)點的水平向自由度；

(3)考慮鋼板剪力墻的初始缺陷，在對鋼板剪力墻進行有限元數(shù)值模擬時，先做特征值屈曲分析，取內(nèi)嵌鋼板5跨度le的1/1000作為初始缺陷施加在內(nèi)嵌鋼板5上；再考慮幾何非線性和材料非線性，運用fullnewtonraphson迭代法進行非線性分析，即在鋼板剪力墻頂部框架梁1上翼緣施加豎向線荷載q，由公式(1)～(3)計算q為1524n/mm，分析得出各非加勁鋼板剪力墻試件及其內(nèi)嵌鋼板承擔的豎向荷載，然后計算非加勁鋼板剪力墻試件內(nèi)嵌鋼板承擔的豎向荷載比例ζ，如表1所示；

由表1可知，spsw試件內(nèi)嵌鋼板5承擔的豎向荷載比例ζ為5.78％，大于圓弧切口內(nèi)嵌鋼板5所承擔的豎向荷載比例ζ；當弧高hc一定時，ζ隨弧長lc的增加而減小，當弧長lc一定時，ζ隨弧高hc的增加而減小，由此可知：在內(nèi)嵌鋼板5上開設圓弧切口(6、7)的構(gòu)造措施能有效減弱內(nèi)嵌鋼板5對豎向荷載的承擔，圓弧切口(6、7)越大，內(nèi)嵌鋼板5承擔的豎向荷載比例越??；

表1豎向線荷載作用下內(nèi)嵌鋼板5承擔的豎向荷載比例

σmax＝mmax/wz≤[σ](1)

mmax＝ql²/8(2)

wz＝iz/ymax(3)

公式(1)～(3)中：[σ]為材料的許用應力，mmax為頂部框架梁1的最大彎矩，σmax為頂部框架梁1上的最大正應力，wz為彎曲截面系數(shù)，q為豎向線荷載，l為框架梁的跨度，iz為截面慣性系數(shù)，ymax為頂部框架梁1橫截面上距離中性軸最遠應力點的縱坐標；

(4)采用與步驟(3)相同的方法，對在豎向荷載和水平位移荷載作用下的鋼板剪力墻試件進行有限元數(shù)值模擬，水平位移δ根據(jù)鋼板剪力墻的層間位移角θ逐級施加，直到層間位移角θ達1/50，使內(nèi)嵌鋼板5經(jīng)歷彈性、彈塑性以及塑性階段，層間位移角θ＝δ/h，h＝3300mm為加載點到框架柱(3、4)底的距離，水平位移施加在頂部框架梁1所對應左框架柱3外側(cè)的耦合點上；分析得出內(nèi)嵌鋼板5的抗側(cè)承載力fphv，繪制fphv與θ的關(guān)系曲線；根據(jù)圓弧切口鋼板剪力墻試件內(nèi)嵌鋼板5的彈性抗側(cè)承載力和spsw試件內(nèi)嵌鋼板5的彈性抗側(cè)承載力，計算開設圓弧切口引起的內(nèi)嵌鋼板彈性抗側(cè)承載力折減率ω；

圖3a為hc＝50mm、lc不同時內(nèi)嵌鋼板5抗側(cè)承載力的曲線，圖3b為hc＝150mm、lc不同時內(nèi)嵌鋼板5抗側(cè)承載力的曲線，圖3c為lc＝750mm、hc不同時內(nèi)嵌鋼板5抗側(cè)承載力的曲線，圖3d為lc＝1000mm、hc不同時內(nèi)嵌鋼板5抗側(cè)承載力的曲線；由圖3a～3d可知，圓弧切口鋼板剪力墻試件的內(nèi)嵌鋼板5較常規(guī)鋼板剪力墻試件的內(nèi)嵌鋼板5，其承載力有所削減，弧長lc越大，折減率ω越大；弧長lc一定時，折減率ω隨弧高hc增加而略呈增大的趨勢；hc不同的內(nèi)嵌鋼板5，其抗側(cè)承載力曲線相近；由此可見，與常規(guī)鋼板剪力墻試件內(nèi)嵌鋼板5相比，開設圓弧切口的構(gòu)造措施會引起內(nèi)嵌鋼板5抗側(cè)承載力的折減，弧長lc是影響折減率的主要因素；

(5)采用與步驟(3)、(4)相同的方法對在水平位移荷載作用下的鋼板剪力墻試件進行有限元數(shù)值模擬，分析得出內(nèi)嵌鋼板5的抗側(cè)承載力fph；根據(jù)步驟(4)得出的彈性抗側(cè)承載力fphv和本步驟得出的彈性抗側(cè)承載力fph計算豎向荷載引起的內(nèi)嵌鋼板5彈性抗側(cè)承載力折減率ψ；圖4a為lc不同時內(nèi)嵌鋼板5受豎向荷載影響的彈性抗側(cè)承載力折減率的曲線，圖4b為hc不同時內(nèi)嵌鋼板受豎向荷載影響的彈性抗側(cè)承載力折減率的曲線，圖中虛線為spsw試件內(nèi)嵌鋼板5彈性抗側(cè)承載力折減率；由圖可知：圓弧切口鋼板剪力墻與常規(guī)鋼板剪力墻相比，豎向荷載對其內(nèi)嵌鋼板5彈性抗側(cè)承載力的影響減弱，折減率ψ隨弧長lc的增大而減小，當增加弧高hc時，折減率ψ出現(xiàn)輕微下降現(xiàn)象，弧長lc是影響豎向荷載對內(nèi)嵌鋼板5彈性抗側(cè)承載力折減率的主要因素；

(6)綜合分析不同圓弧形切口(6、7)尺寸對內(nèi)嵌鋼板5抗側(cè)承載力的影響及對減弱內(nèi)嵌鋼板抗側(cè)承載力受豎向荷載影響的程度，得出圓弧形切口(6、7)的弧長lc取內(nèi)嵌鋼板5跨度le的1/3～1/4倍范圍、弧高hc取100mm～150mm。

本發(fā)明未詳盡描述的技術(shù)內(nèi)容均為公知技術(shù)。