本發(fā)明涉及一種鋼板剪力墻，屬于建設(shè)工程技術(shù)領(lǐng)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(jì)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(chǔ)造價(jià)、經(jīng)濟(jì)效益好，同時(shí)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(qiáng)的特點(diǎn)，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(shè)計(jì)計(jì)算，并應(yīng)采用相應(yīng)的構(gòu)造和施工措施來實(shí)現(xiàn)計(jì)算假定。豎向荷載會(huì)使非加勁鋼板剪力墻的內(nèi)嵌鋼板產(chǎn)生鼓曲，這對(duì)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(huì)產(chǎn)生不利影響。為了實(shí)現(xiàn)鋼板剪力墻不承受豎向荷載的計(jì)算假定，工程實(shí)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(jìn)行內(nèi)嵌鋼板的安裝，該種做法存在以下幾個(gè)問題，一是，會(huì)延長(zhǎng)施工周期；二是，在風(fēng)荷載作用下，沒有鋼板剪力墻提供抗側(cè)力會(huì)導(dǎo)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(huì)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(dān)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(shí)際的設(shè)計(jì)、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(lǐng)域的難題。

如中國(guó)專利(授權(quán)公告號(hào)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(fù)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(duì)另外層受壓的斜向板帶提供平面外的支撐，實(shí)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(qiáng)多高層建筑在地震荷載下的耗能能力，而對(duì)于避免豎向荷載對(duì)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(fù)雜，不利于降低成本和提高施工效率。

再如中國(guó)專利(授權(quán)公告號(hào)cn203716336u)公開了“一種側(cè)邊開洞薄鋼板剪力墻”，包括平行設(shè)置的框架柱，在平行設(shè)置的框架柱之間至少設(shè)置一對(duì)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(duì)稱設(shè)置有加勁肋。該實(shí)用新型可以給內(nèi)嵌薄鋼板提供較強(qiáng)的四邊支承，可充分發(fā)揮鋼板剪力墻“拉力場(chǎng)”效應(yīng)，具有很高的側(cè)向承載力；同時(shí)能夠大幅降低“拉力場(chǎng)”對(duì)框架柱的附加彎矩，有效保護(hù)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(chǎng)”，實(shí)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(hù)剪力墻兩側(cè)的鋼柱，但對(duì)于非加勁鋼板剪力墻在施工和使用過程中會(huì)受到豎向荷載的影響未有改進(jìn)；此外，該鋼板剪力墻對(duì)內(nèi)嵌薄鋼板上開設(shè)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(yàn)證以及獲取鋼板剪力墻開設(shè)洞口大小、規(guī)格等參數(shù)的有效算法。

技術(shù)實(shí)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(shí)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(shè)圓弧形切口，圓弧形切口的弧長(zhǎng)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(zhǎng)和弧高為參數(shù)變量，設(shè)計(jì)多個(gè)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(jì)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(dān)的豎向荷載，然后計(jì)算所承擔(dān)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(yīng)力，mmax為框架梁的最大彎矩，σmax為框架梁上的最大正應(yīng)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(yuǎn)應(yīng)力點(diǎn)的縱坐標(biāo)；

第五步、采用與步驟四相同的方法，對(duì)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(jìn)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(jí)施加，層間位移角θ＝δ/h，h為加載點(diǎn)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(jì)算開設(shè)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(duì)在水平位移荷載作用下非加勁鋼板剪力墻試件進(jìn)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(jì)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(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)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(shè)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(shè)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(diǎn)是：

1、本算法利用有限元軟件abaqus對(duì)非加勁鋼板剪力墻進(jìn)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(duì)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(xué)、結(jié)構(gòu)等多方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)和模擬試驗(yàn)，本非加勁鋼板剪力墻中內(nèi)嵌鋼板上開設(shè)的圓弧切口大小、參數(shù)選擇范圍科學(xué)合理、效果突出，也能較好的避免圓弧形切口過大，會(huì)造成內(nèi)嵌鋼板抗側(cè)承載力偏低；圓弧形切口過小，會(huì)使內(nèi)嵌鋼板承擔(dān)過多的豎向荷載。

3、本算法確認(rèn)了圓弧形切口的弧長(zhǎng)是影響開設(shè)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(yīng)用中，該圓弧形切口的弧長(zhǎng)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(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡(jiǎn)單地介紹。

圖1為本發(fā)明第一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明第二種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

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

圖4為所述設(shè)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(biāo)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(shí)施方式

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

實(shí)施例一：

如圖1所示，本實(shí)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(shí)施例在內(nèi)嵌鋼板5上側(cè)邊設(shè)置有上圓弧形切口6，上圓弧形切口6的弧長(zhǎng)lc為水平向、弧高h(yuǎn)c為豎向。

制作時(shí)，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(duì)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(jìn)行內(nèi)嵌鋼板5預(yù)制。內(nèi)嵌鋼板5制作完成后，需要進(jìn)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(shí)，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(shí)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(qiáng)度螺栓或連接板與主體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接固定。

實(shí)施例二：

本實(shí)施例在實(shí)施例一的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，如圖2所示，不同的是，本實(shí)施例中內(nèi)嵌鋼板5的下側(cè)邊還設(shè)置有下圓弧形切口7，2個(gè)圓弧形切口(6、7)上、下對(duì)應(yīng)，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(shè)置相同，弧長(zhǎng)lc為水平向，弧高h(yuǎn)c為豎向。

結(jié)合實(shí)施例二，對(duì)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(diǎn)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(zhǎng)lc和弧高h(yuǎn)c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(zhǎng)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h(yuǎn)c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：?jiǎn)卧愋蜑閟4r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(duì)內(nèi)嵌鋼板5底部施加固定約束，對(duì)左框架柱3、右框架柱4的底部施加鉸接約束，同時(shí)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(duì)應(yīng)左框架柱3外側(cè)所有節(jié)點(diǎn)的水平向自由度；

(3)考慮鋼板剪力墻的初始缺陷，在對(duì)鋼板剪力墻進(jìn)行有限元數(shù)值模擬時(shí)，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(yùn)用fullnewtonraphson迭代法進(jìn)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(jì)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(dān)的豎向荷載，然后計(jì)算非加勁鋼板剪力墻試件內(nèi)嵌鋼板承擔(dān)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(dān)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(dān)的豎向荷載比例ζ；當(dāng)弧高h(yuǎn)c一定時(shí)，ζ隨弧長(zhǎng)lc的增加而減小，當(dāng)弧長(zhǎng)lc一定時(shí)，ζ隨弧高h(yuǎn)c的增加而減小，由此可知：在內(nèi)嵌鋼板5上開設(shè)圓弧切口(6、7)的構(gòu)造措施能有效減弱內(nèi)嵌鋼板5對(duì)豎向荷載的承擔(dān)，圓弧切口(6、7)越大，內(nèi)嵌鋼板5承擔(dān)的豎向荷載比例越小；

表1豎向線荷載作用下內(nèi)嵌鋼板5承擔(dān)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(yīng)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(yīng)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(yuǎn)應(yīng)力點(diǎn)的縱坐標(biāo)；

(4)采用與步驟(3)相同的方法，對(duì)在豎向荷載和水平位移荷載作用下的鋼板剪力墻試件進(jìn)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(jí)施加，直到層間位移角θ達(dá)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(diǎn)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(duì)應(yīng)左框架柱3外側(cè)的耦合點(diǎn)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(jì)算開設(shè)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(shí)內(nèi)嵌鋼板5抗側(cè)承載力的曲線，圖3b為hc＝150mm、lc不同時(shí)內(nèi)嵌鋼板5抗側(cè)承載力的曲線，圖3c為lc＝750mm、hc不同時(shí)內(nèi)嵌鋼板5抗側(cè)承載力的曲線，圖3d為lc＝1000mm、hc不同時(shí)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(zhǎng)lc越大，折減率ω越大；弧長(zhǎng)lc一定時(shí)，折減率ω隨弧高h(yuǎn)c增加而略呈增大的趨勢(shì)；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(shè)圓弧切口的構(gòu)造措施會(huì)引起內(nèi)嵌鋼板5抗側(cè)承載力的折減，弧長(zhǎng)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(duì)在水平位移荷載作用下的鋼板剪力墻試件進(jìn)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(jì)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(shí)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(shí)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(duì)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(zhǎng)lc的增大而減小，當(dāng)增加弧高h(yuǎn)c時(shí)，折減率ψ出現(xiàn)輕微下降現(xiàn)象，弧長(zhǎng)lc是影響豎向荷載對(duì)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(duì)內(nèi)嵌鋼板5抗側(cè)承載力的影響及對(duì)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(zhǎng)lc取內(nèi)嵌鋼板5跨度le的1/3～1/4倍范圍、弧高h(yuǎn)c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)。