本發(fā)明涉及建筑工程技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，是涉及一種結(jié)構(gòu)耗能構(gòu)件，具體設(shè)計(jì)成無(wú)屈曲優(yōu)化波型的結(jié)構(gòu)耗能構(gòu)件。

背景技術(shù)：

高層建筑具有越來(lái)越廣闊的市場(chǎng)前景，而在高層建筑中抗側(cè)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選擇尤為重要。傳統(tǒng)的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要有鋼支撐、鋼筋混凝土剪力墻等，而這些已經(jīng)不能滿(mǎn)足高層建筑對(duì)于結(jié)構(gòu)耗能能力的需求。針對(duì)這種情況，許多新型的結(jié)構(gòu)耗能構(gòu)件應(yīng)運(yùn)而生。例如普通鋼板剪力墻、防屈曲鋼板墻和剪切型阻尼器等。

對(duì)于鋼板墻和剪切型阻尼器來(lái)說(shuō)，一般均采用平鋼板。但由于平鋼板的面外剛度很小，在較小水平力作用下就會(huì)發(fā)生面外屈曲，導(dǎo)致其剛度小、滯回性能有限。在此基礎(chǔ)上，改進(jìn)采用面外約束板或者加勁肋的方式來(lái)提高此類(lèi)構(gòu)件的面外剛度，但仍存在經(jīng)濟(jì)性降低、加工復(fù)雜、生產(chǎn)周期變長(zhǎng)、缺陷明顯等一系列問(wèn)題。因此，急需一種面外剛度大、經(jīng)濟(jì)性好、加工方便、性能優(yōu)越的構(gòu)件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種結(jié)構(gòu)耗能構(gòu)件，設(shè)計(jì)成無(wú)屈曲優(yōu)化波，具有一定的通用性，可廣泛應(yīng)用于鋼、鋁、鉛等金屬材料制作而成的鋼板剪力墻、剪切型阻尼器、連梁阻尼器或者其他形式的金屬減震構(gòu)件中，充分利用波型的面外剛度大優(yōu)點(diǎn)，保證構(gòu)件性能優(yōu)越，經(jīng)濟(jì)性好，加工方便，具有廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)方案一

一種無(wú)屈曲波形結(jié)構(gòu)耗能構(gòu)件的彈塑性設(shè)計(jì)方法，其特征在于，通過(guò)提出波紋鋼板墻彈塑性屈曲的折減系數(shù)η，近似地將波紋鋼板墻等效為各向異性的平鋼板墻，將主要受力方向的彈性模量做η的折減，抗扭方向做根號(hào)η的折減，非受力方向則不做折減，得到波紋鋼板墻等效為各向異性平鋼板墻后的平衡偏微分方程，如式(1.16)所示。

其中，dx為非受力方向面外剛度，dy為主要受力方向面外剛度，h為抗扭剛度，ω為面外撓度函數(shù)，ny為主要受力方向中面正應(yīng)力，nyx為主要受力方向中面剪應(yīng)力。

在彈性抗側(cè)剛度方面，在單位力作用下，設(shè)波紋鋼板墻的變形由n個(gè)單波的變形串聯(lián)而成，單波的變形包括單波的剪切變形、單波的扭轉(zhuǎn)變形。在單位力作用下，單波的剪切剛度由式(1.22)所示。

其中，υ為鋼材泊松比，e為彈性模量。

而單波的扭轉(zhuǎn)變形則假定單波截面在扭矩或彎矩作用下繞對(duì)稱(chēng)點(diǎn)變形，通過(guò)能量法可得到單波的扭轉(zhuǎn)剛度如式(1.23)—(1.24)所示。

因此，根據(jù)n個(gè)單波串聯(lián)的關(guān)系，可得到波紋鋼板墻的彈性抗側(cè)剛度公式，如式(1.25)所示。

在屈服承載力方面，波紋鋼板墻的屈服承載力可由式(1.13)所示

qy＝τyatw(1.13)。

進(jìn)一步的，通過(guò)以下方式調(diào)整各個(gè)參數(shù)以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求：

一、通過(guò)設(shè)定通用無(wú)屈曲優(yōu)化波型的整體高厚比，可保證該波型在達(dá)到極限承載力之前都不發(fā)生整體失穩(wěn)；(在建筑領(lǐng)域，達(dá)到極限承載力時(shí)的應(yīng)用從未有過(guò)，本發(fā)明是首創(chuàng)。)

二、通過(guò)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)波型和構(gòu)造波型的細(xì)部尺寸，可保證該波型不發(fā)生局部失穩(wěn)。

三、通過(guò)在端部采用構(gòu)造波型，特別是采用標(biāo)準(zhǔn)波型的半波形式，可保證標(biāo)準(zhǔn)波型和構(gòu)造波型的中心線(xiàn)重合，減小端部偏心效應(yīng)。進(jìn)一步的，通過(guò)設(shè)定水平段與斜向段之間的折彎半徑，可減小集中應(yīng)力程度，提高性能。

所述波型可以為梯形、正弦曲線(xiàn)以及矩形等。本發(fā)明優(yōu)選采用梯形波型。

以上設(shè)計(jì)獲得的波紋形狀面外剛度大，因此屈曲承載力高，不易屈曲，可避免采用面外約束板、加勁肋等提高面外剛度手段帶來(lái)的加工復(fù)雜、周期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性差等問(wèn)題。

技術(shù)方案二

由上述方法技術(shù)方案設(shè)計(jì)獲得的一種結(jié)構(gòu)耗能構(gòu)件，其特征在于，為一種建筑用無(wú)屈曲優(yōu)化波型，包括中部標(biāo)準(zhǔn)波型段和端部構(gòu)造波型段。所述中部標(biāo)準(zhǔn)波型段包括若干個(gè)由水平段和斜向段組成的標(biāo)準(zhǔn)波型。標(biāo)準(zhǔn)波型的水平段長(zhǎng)度與斜向段的長(zhǎng)度均不小于100mm，水平段與斜向段的夾角(銳角)不小于45度，波高不小于80mm，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波型的波長(zhǎng)與波高之比不大于6。所述端部構(gòu)造波型可采用標(biāo)準(zhǔn)波型或亦可采用標(biāo)準(zhǔn)波型的半波形式，即水平段與斜向段的長(zhǎng)度均為標(biāo)準(zhǔn)波型的一半，水平段與斜向段的夾角與標(biāo)準(zhǔn)波型相同，構(gòu)造波型的波長(zhǎng)與波高之比不大于6。所述中部標(biāo)準(zhǔn)波數(shù)量與采用的材料板厚有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)波數(shù)量必須保證通用無(wú)屈曲優(yōu)化波型的整體高厚比不大于200。標(biāo)準(zhǔn)波型中水平段與斜向段間的折彎半徑不小于15倍板厚。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明面外剛度大，可避免采用面外約束板、加勁肋等提高面外剛度手段帶來(lái)的加工復(fù)雜、周期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性差等問(wèn)題。本發(fā)明由于不會(huì)發(fā)生屈曲，可應(yīng)用于鋼、鋁、鉛等金屬材料制作而成的鋼板剪力墻、剪切型阻尼器、連梁阻尼器或者其他形式的金屬減震構(gòu)件中，充分利用波型的面外剛度大優(yōu)點(diǎn)，保證構(gòu)件性能優(yōu)越，經(jīng)濟(jì)性好，加工方便，具有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明無(wú)屈曲波形結(jié)構(gòu)件示意圖(通用無(wú)屈曲優(yōu)化波型)。其中：1、端部構(gòu)造波型段；2、若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波的中部標(biāo)準(zhǔn)波型段；3、水平段；4、斜向段。

圖2波紋鋼板墻受力示意圖

圖3波紋鋼板墻截面示意圖

圖4波紋鋼板墻受力模型

圖5波紋鋼板墻受力分析圖

圖6mises應(yīng)力云圖(高度1000mmm)

圖7mises應(yīng)力云圖(高度2000mmm)

圖8層剪力－層間位移曲線(xiàn)

圖9層剪力－層間位移角曲線(xiàn)

圖10墻高1m層剪力－層間位移角滯回曲線(xiàn)

圖11墻高2m層剪力－層間位移角滯回曲線(xiàn)

圖12波紋鋼板墻等效為各向異性平鋼板墻

圖13波型參數(shù)

圖14單波的剪切變形

圖15彈性抗側(cè)剛度理論值與有限元值比較

圖1610種波型

圖17波紋鋼板受力分析圖

圖18邊緣構(gòu)件面外彎矩受力圖

圖19最優(yōu)波型參數(shù)

圖20試件1(t＝4mm)

圖21試件2(t＝6mm)

圖22試件3(t＝8mm)

圖23邊緣構(gòu)件尺寸

具體實(shí)施方式

如圖1所示，通用無(wú)屈曲波型包括中部標(biāo)準(zhǔn)波型段和端部構(gòu)造波型段。

進(jìn)一步，中部標(biāo)準(zhǔn)波型段包括若干個(gè)由水平段和斜向段組成的標(biāo)準(zhǔn)波型。標(biāo)準(zhǔn)波型的水平段長(zhǎng)度與斜向段的長(zhǎng)度均不小于100mm，水平段與斜向段的夾角(銳角)不小于45度，波高不小于80mm，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波型的波長(zhǎng)與波高之比不大于6。

進(jìn)一步，端部構(gòu)造波型可采用標(biāo)準(zhǔn)波型或亦可采用標(biāo)準(zhǔn)波型的半波形式，即水平段與斜向段的長(zhǎng)度均為標(biāo)準(zhǔn)波型的一半，水平段與斜向段的夾角與標(biāo)準(zhǔn)波型相同，構(gòu)造波型的波長(zhǎng)與波高之比不大于6。

進(jìn)一步，中部標(biāo)準(zhǔn)波數(shù)量與采用的材料板厚有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)波數(shù)量必須保證通用無(wú)屈曲優(yōu)化波型的整體高厚比不大于200。標(biāo)準(zhǔn)波型中水平段與斜向段間的折彎半徑不小于15倍板厚。

本發(fā)明設(shè)計(jì)出的該通用無(wú)屈曲優(yōu)化波型，主要應(yīng)用于鋼、鋁、鉛等金屬材料制作而成的鋼板剪力墻、剪切型阻尼器、連梁阻尼器或者其他形式的金屬減震構(gòu)件中。其中，鋼材可采用普通鋼材，例如q235b，或采用低屈服點(diǎn)鋼，例如ly225,ly100等。

本發(fā)明的技術(shù)貢獻(xiàn)的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)彈塑性無(wú)屈曲。原先最早僅是在橋梁領(lǐng)域上會(huì)用到波紋板，后來(lái)建筑領(lǐng)域上也慢慢開(kāi)始用波紋板，但兩者均只是利用其彈性剛度，而沒(méi)有利用其進(jìn)入塑性以后的耗能性能，而且由于沒(méi)有進(jìn)行塑性設(shè)計(jì)，之前的波型進(jìn)入塑性以后都會(huì)發(fā)生面外屈曲，整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)都會(huì)發(fā)生，因此耗能能力弱，無(wú)法為結(jié)構(gòu)提供耗散能量的功能，而這一功能越來(lái)越重要。而本發(fā)明方法設(shè)計(jì)獲得的無(wú)屈曲優(yōu)化波型，保證其即使在進(jìn)入塑性以后都不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，不但具有彈性剛度，同時(shí)具備足夠的耗能能力。在本領(lǐng)域，屬于首創(chuàng)。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方法中需要突破的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)：

1、在彈塑性范疇內(nèi)實(shí)現(xiàn)整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)

2、在彈塑性范疇內(nèi)實(shí)現(xiàn)局部穩(wěn)定設(shè)計(jì)

3、避免加工波型時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中的不利影響，即本發(fā)明通過(guò)設(shè)定水平段與斜向段之間的折彎半徑，可減小集中應(yīng)力程度，提高性能。

4、避免由于波型中心線(xiàn)與主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件中心線(xiàn)不在一個(gè)平面內(nèi)導(dǎo)致的偏心效應(yīng)，即本發(fā)明通過(guò)在端部采用構(gòu)造波型，特別是采用標(biāo)準(zhǔn)波型的半波形式，可保證標(biāo)準(zhǔn)波型和構(gòu)造波型的中心線(xiàn)重合，減小端部偏心效應(yīng)。

本發(fā)明的應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)在不同建筑結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)用，例如：在框架結(jié)構(gòu)中，可用于墻式構(gòu)件中，相關(guān)產(chǎn)品包括：波紋鋼板墻、剪切型阻尼器；在聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，可用于連梁式構(gòu)件中，相關(guān)產(chǎn)品包括：鋼連梁、連梁阻尼器。

實(shí)施例

實(shí)施例1：波紋鋼板剪力墻

為了得到面外剛度大、屈服前不屈曲、抗震耗能能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性較屈曲約束鋼板墻好、加工和安裝相對(duì)方便的金屬減震構(gòu)件，受到波紋腹板h型鋼梁的啟發(fā)，本發(fā)明給出了實(shí)施例1，即將一定厚度的波紋鋼板應(yīng)用于剪力墻，不但能為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度，而且能夠通過(guò)塑性耗能為結(jié)構(gòu)提供額外的附加阻尼比，以起到減小結(jié)構(gòu)響應(yīng)的作用。

本發(fā)明技術(shù)方案來(lái)自于實(shí)施例，為了更好地理解本發(fā)明技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳盡整個(gè)研究過(guò)程。

1、本發(fā)明的研究思路，首先從波紋鋼板剪力墻的三種破壞模式著手，即分別從全截面剪切屈服、局部剪切屈曲以及整體剪切屈曲破壞模式，分析出波紋鋼板剪力墻的受力情況：

1.1.全截面剪切屈服

當(dāng)剪力平行于波紋方向時(shí)，如圖2所示，波紋截面示意圖如圖3所示，剪應(yīng)力沿墻寬方向均勻分布。

波紋鋼板墻受力截面的剪應(yīng)力計(jì)算如式(1.1)所示。

其中，q為波紋鋼板墻受到的剪力，a為波紋鋼板墻寬度，t為波紋鋼板厚度。當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到剪切強(qiáng)度時(shí)，即認(rèn)為波紋鋼墻達(dá)到剪切屈服。因此，剪切屈服承載力計(jì)算公式如式(1.2)所示。

qy＝τyat(1.2)

1.2.局部剪切屈曲

局部剪切屈曲往往發(fā)生在剪應(yīng)力最大的單個(gè)波紋內(nèi)，不會(huì)越過(guò)不同波峰波谷形成整體破壞。一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)波峰、波谷以及斜向段相互約束，可簡(jiǎn)化為一個(gè)四邊簡(jiǎn)支的薄平板，因此，可得到局部剪切屈曲臨界應(yīng)力的計(jì)算公式，如式(1.3)—(1.5)所示。

a0＝max(a1,a2)(1.5)

其中，τl為局部屈曲臨界應(yīng)力,kl為局部屈曲系數(shù),υ為鋼材泊松比，e為彈性模量,ts為波紋鋼板厚度，a1，a2分別為波紋水平段和斜向段長(zhǎng)度。

1.3.整體剪切屈曲

整體剪切屈曲時(shí)，屈曲半波貫穿多個(gè)波紋，會(huì)形成拉力帶，整體屈曲破壞一般發(fā)生在鋼板墻整體尺寸較波峰波谷尺寸大很多的情況下。

為此，給出整體剪切屈曲承載力簡(jiǎn)化公式，如式(1.6)—(1.10)所示。

kg＝33.1鉸接邊界(1.9)

kg＝64.2固接邊界(1.10)

其中，τg為整體屈曲臨界應(yīng)力,kg為整體屈曲系數(shù),dx為非受力方向面外剛度，dy為主要受力方向面外剛度，d為波高，θ為水平段與斜向段的夾角(銳角)。

2.屈服承載力作為重要的參數(shù)，本發(fā)明進(jìn)一步研究該參數(shù)

2.1屈服承載力的推算

受啟發(fā)于波紋腹板h型鋼梁，本發(fā)明表征出波紋鋼板墻的受力模型，如圖4所示，描述為：1)在面內(nèi)彎矩mx作用下，彎矩主要由邊緣構(gòu)件承擔(dān)，而由于“折疊效應(yīng)”，波紋鋼板上基本無(wú)彎曲正應(yīng)力分布；2)豎向剪力vy完全由波紋鋼板承擔(dān)，且剪應(yīng)力均勻分布；3)由于波紋鋼板的波紋形狀，它與邊緣構(gòu)件的剪力流將在邊緣構(gòu)件中形成附加橫向彎矩，因此邊緣構(gòu)件上存在附加應(yīng)力。

波紋鋼板墻的邊緣構(gòu)件可視為弦桿，波紋鋼板視為腹桿，由于波紋鋼板不承受彎矩，因此波紋鋼板上剪應(yīng)力分布均勻，以圖5中長(zhǎng)度為dx的微段為研究對(duì)象，并取其中陰影部分建立平衡方程：

其中，f1、f2為邊緣構(gòu)件彎曲正應(yīng)力的合力，tw為波紋鋼板厚度，τ為波紋鋼板所受剪應(yīng)力。

將f1、f2代入式(1.11)可得：

其中，a為波紋鋼板的寬度，q為水平剪力，

由上式可見(jiàn)，波紋鋼板中剪應(yīng)力沿截面抗剪方向?yàn)橐怀Ａ?。因此，波紋鋼板墻的屈服承載力可由式(1.13)所示。

qy＝τyatw(1.13)

2.2.同時(shí)給出有限元驗(yàn)證

根據(jù)式(1.13)進(jìn)行試設(shè)計(jì)，按1200kn屈服承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)，取波紋鋼板厚度為10mm，鋼材為ly225，因此根據(jù)式(1.13)可得波紋鋼板墻的寬度約1000mm?？扇1＝70mm，a2＝80mm，根據(jù)式(1.3)—(1.5)則可得到局部剪切屈曲應(yīng)力比為133.7，再取波紋高度為40mm，根據(jù)式(1.6)—(1.10)可得整體剪切屈曲應(yīng)力比為6.9，分別如式(1.14)和式(1.15)所示。

取波紋鋼板墻高度分別為1000mm和2000mm，利用abaqus進(jìn)行有限元分析，1/50層間位移角下其mises應(yīng)力云圖如圖6和圖7所示。

其層剪力－層間位移曲線(xiàn)則如圖8所示，將橫坐標(biāo)無(wú)量綱化，即得層剪力－層間位移角曲線(xiàn)，如圖9所示。可見(jiàn)，不管是高度1000mm還是2000mm，波紋鋼板墻屈服時(shí)承載力均約為1200kn，與設(shè)計(jì)承載力相符，可見(jiàn)式(1.13)是合理的。

3.彈塑性剪切屈曲

上述對(duì)波紋鋼板墻進(jìn)行有限元分析，采用在幅值1/50層間位移角下加載3圈，材料模型采用強(qiáng)化系數(shù)1％的雙線(xiàn)性等向強(qiáng)化法則，得到其滯回曲線(xiàn)如圖10-11所示。

可見(jiàn)，雖然驗(yàn)算時(shí)整體剪切屈曲和局部剪切屈曲的應(yīng)力比均遠(yuǎn)大于1，但還是發(fā)生了整體和局部的剪切屈曲，原因就在于所述公式(1.3)—(1.10)僅基于彈性穩(wěn)定，而未考慮非彈塑性穩(wěn)定。出于安全(本領(lǐng)域公知，彈塑性屈曲承載力要遠(yuǎn)小于彈性屈曲承載力)，為此本實(shí)施例進(jìn)一步提出了波紋鋼板墻彈塑性屈曲的折減系數(shù)η，可近似地將波紋鋼板墻等效為各向異性的平鋼板墻，如圖12所示。將主要受力方向的彈性模量做η的折減，抗扭方向做根號(hào)η的折減，非受力方向則不做折減，因此可得到波紋鋼板墻等效為各向異性平鋼板墻后的平衡偏微分方程，如式(1.16)所示。

其中，dx為非受力方向面外剛度，dy為主要受力方向面外剛度，h為抗扭剛度，ω為面外撓度函數(shù)，ny為主要受力方向中面正應(yīng)力，nyx為主要受力方向中面剪應(yīng)力。解上述方程發(fā)現(xiàn)，彈塑性屈曲承載力相當(dāng)于彈性屈曲承載力與根號(hào)η的乘積，如式(1.17)所示。

類(lèi)似于普通鋼板墻的彈塑性屈曲折減系數(shù)，可同樣采用以下公式近似計(jì)算：

其中，qy為鋼板墻屈服承載力。

4.彈性抗側(cè)剛度作為重要的參數(shù)，本發(fā)明進(jìn)一步研究該參數(shù)并給出驗(yàn)證

4.1彈性抗側(cè)剛度公式

在單位力作用下，波紋鋼板墻的變形由n個(gè)單波的變形串聯(lián)而成，波型參數(shù)如圖13所示。

單波的變形主要包括2部分：

(1)單波的剪切變形

(2)單波的扭轉(zhuǎn)變形。

單波剪切變形的受力分析圖如圖14所示，可知在單位力作用下，單波的剪切剛度由式(1.22)所示。

其中，υ為鋼材泊松比，e為彈性模量，a1為波型水平段長(zhǎng)度，a2為波型斜向段長(zhǎng)度，θ為水平段與斜向段的夾角(銳角)，a為波紋鋼板寬度，t為波紋鋼板厚度。

而單波的扭轉(zhuǎn)變形則假定單波截面在扭矩或彎矩作用下繞對(duì)稱(chēng)點(diǎn)變形，通過(guò)能量法可得到單波的扭轉(zhuǎn)剛度如式(1.23)—(1.24)所示。

其中，d為波紋鋼板面外剛度，d為波高。

因此，根據(jù)n個(gè)單波串聯(lián)的關(guān)系，可得到波紋鋼板墻的彈性抗側(cè)剛度公式，如式(1.25)所示。

4.2進(jìn)一步有限元驗(yàn)證

針對(duì)不同的波型，共分析了11種波型參數(shù)，每種波型采用3種板厚進(jìn)行有限元計(jì)算，得到各模型的彈性抗側(cè)剛度值，與理論值(式(1.25))的對(duì)比結(jié)果如表1.2和圖15所示。

表1.2彈性抗側(cè)剛度有限元值與理論值對(duì)比-unit:kn/mm

可見(jiàn)，波紋鋼板墻的彈性抗側(cè)剛度計(jì)算公式是合理的，與有限元分析的誤差可以基本控制在10％左右。

5.本實(shí)施例進(jìn)一步確定出最優(yōu)波型

可選擇的波型主要有梯形、正弦曲線(xiàn)以及矩形等。本發(fā)明優(yōu)選采用梯形波型。根據(jù)上幾節(jié)內(nèi)容，本研究各參數(shù)分析了10種波型，如圖16所示，每種波型采用3種板厚進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，板厚分別為6mm、9mm和12mm。

根據(jù)式(1.3)—(1.10)，并考慮彈塑性屈曲的不利影響，可得到上述10種波型的應(yīng)力比，即彈塑性局部屈曲應(yīng)力與剪切強(qiáng)度的比值，以及彈塑性整體屈曲應(yīng)力與剪切強(qiáng)度的比值，如表1.3所示。

表1.310種波型設(shè)計(jì)參數(shù)unit:mm

利用有限元軟件abaqus對(duì)上述30個(gè)模型進(jìn)行建模分析，取波紋鋼板高度和寬度均為2000mm，采用位移控制進(jìn)行加載，加載位移取為1/50墻高，并循環(huán)加載3圈。其中，鋼材采用等向強(qiáng)化法則，強(qiáng)化系數(shù)取為1％，屈服強(qiáng)度取為225mpa。

得出，波紋鋼板越厚，滯回曲線(xiàn)越飽滿(mǎn)，耗能能力越強(qiáng)。在1/50層間位移角下加載3圈，板厚為12mm的波型4，以及板厚分別為9mm和12mm的波型7和波型10均未出現(xiàn)屈曲，滯回曲線(xiàn)最飽滿(mǎn)，由于波型7波高較高，為避免波紋鋼板墻板厚太大，本實(shí)施例確定出波型4和波型10為最優(yōu)波型，并對(duì)其寬厚比和寬高比的影響進(jìn)行參數(shù)分析。

6.波紋鋼板墻寬厚比對(duì)其性能的影響

為研究波紋鋼板墻整體寬厚比對(duì)其抗震耗能能力的影響程度，本發(fā)明對(duì)寬高比相同(均為1)，寬厚比不同的波紋鋼板墻進(jìn)行了有限元參數(shù)分析，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1.4所示。

表1.4寬厚比參數(shù)分析unit:mm

不同寬厚比下，根據(jù)獲得的波紋鋼板墻的滯回曲線(xiàn)和應(yīng)力云圖，得出：波型4的臨界寬厚比為177，而波型10的臨界寬厚比為227。也就是說(shuō)，只要保證波型4的寬厚比不大于177，波型10的寬厚比不大于227，則理論上可以保證波紋鋼板墻在達(dá)到極限位移時(shí)不發(fā)生彈塑性屈曲。

7.波紋鋼板墻寬高比對(duì)其性能的影響

同理，為研究波紋鋼板墻整體寬高比對(duì)其抗震耗能能力的影響程度，本發(fā)明同樣對(duì)寬厚比相同，寬高比不同的波紋鋼板墻進(jìn)行了有限元參數(shù)分析，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1.5所示。

表1.5寬高比參數(shù)分析unit:mm

不同寬高比下，根據(jù)獲得的波紋鋼板墻的滯回曲線(xiàn)和應(yīng)力云圖得出：寬高比并不對(duì)波紋鋼板墻是否屈曲起到?jīng)Q定性作用。由分析結(jié)果可知，當(dāng)使得寬厚比小于所對(duì)應(yīng)波型的臨界寬厚比時(shí)，即波型4為177，波型10為227，可保證波紋鋼板墻不發(fā)生屈曲，從而可以充分發(fā)揮其抗震耗能作用。

8.邊緣構(gòu)件設(shè)計(jì)方法

本發(fā)明波紋鋼板墻的邊緣構(gòu)件同樣主要承受面內(nèi)彎矩，同時(shí)作為波紋鋼板的邊界約束，只有保證其足夠強(qiáng)，才能使波紋鋼板充分發(fā)揮其作用，才不至于發(fā)生不合理的破壞模式。因此，本發(fā)明從剛度和承載力需求兩方面對(duì)邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

8.1.剛度需求

本發(fā)明將波紋鋼板墻近似地等效成四邊連接鋼板墻，因此，借鑒后者對(duì)其邊緣柱的剛度需求公式，近似得到了波紋鋼板墻邊緣構(gòu)件的剛度需求公式，如式(1.26)所示。

其中，ic為邊緣構(gòu)件的面內(nèi)截面慣性矩，tw為波紋鋼板厚度，b為波紋鋼板墻高度，a為其寬度。

8.2.承載力需求

對(duì)波紋鋼板進(jìn)行受力分析，受力模型如圖17所示。

由圖17可知，邊緣構(gòu)件受到軸向的拉力和壓力，由式(1.27)得到：

p＝0.5τtwb(1.27)

同時(shí)，邊緣構(gòu)件還承受面內(nèi)彎矩作用，主要包括2部分：

(1)側(cè)移引起的面內(nèi)彎矩，可由式(1.28)得到：

其中，e為彈性模量，ic為截面慣性矩，b為波紋鋼板高度。

(2)波紋鋼板墻對(duì)其剪力產(chǎn)生的偏心彎矩，可由式(1.29)得到：

m2＝0(1.29)

其中，δ為波紋鋼板墻側(cè)移量。

此外，邊緣構(gòu)件還會(huì)受到由波紋鋼板墻斜向段水平分力形成的面外彎矩，如圖18所示。假定邊緣構(gòu)件的反彎點(diǎn)在中點(diǎn)，則可得到該面外彎矩的大小，由式(1.30)所示。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》gb50017-2003，可按照雙向壓彎構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算，從而得到邊緣構(gòu)件的承載力需求。

9.波紋鋼板墻設(shè)計(jì)方法

綜上所述，即得到波紋鋼板墻的設(shè)計(jì)方法。

若已知需求屈服承載力為q，彈性抗側(cè)剛度為k，并假定波紋鋼板墻的高度為b，則整個(gè)設(shè)計(jì)流程包含如下步驟：

(1)由設(shè)計(jì)屈服承載力和式(1.34)得到波紋鋼板的厚度。

(2)由設(shè)計(jì)彈性抗側(cè)剛度和式(1.35)得到單波數(shù)量n，從而得到波紋鋼板墻的高度b。

(3)選取適當(dāng)邊緣構(gòu)件截面，利用式(1.27)－(1.30)進(jìn)行軸力和彎矩的計(jì)算，然后根據(jù)相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行截面驗(yàn)算。如果驗(yàn)算通過(guò)，則可采用選定的截面作為邊緣構(gòu)件；若不滿(mǎn)足，則加大截面重新進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算。