钢板剪力墙到底咋设计、咋施工的呢?

爱结构2019-06-13 09:51:08


引言

钢板剪力墙列入高层与民用建筑钢结构技术规程(JGJ9998)已经十余年了,但是其应用还很少,其原因主要有:1)计算软件没有钢板剪力墙这个抗侧力构件选项供选用;2)技术规程的规定未能让设计人员理解,特别是不承担竖向荷载的要求,大家认为无法实现,或者会拖延工期3)一般认为钢板剪力墙的造价总体会比钢支撑略高在美国加拿大日本和墨西哥等地震多发国家陆续有一些工程中采用了钢板剪力墙,其中日本应用最多,且以加劲钢板剪力墙为主美国钢结构学会AISCSteelDesignGuide(2007)里面介绍的钢板剪力墙的工程有53层的办公大楼,也有两层的住宅昆明世纪广场工程为地上48层,总高度188m,抗震设防烈度8结构的核心筒内为了给电梯前厅腾出空间,须尽量减小核心筒部位的抗侧力构件的厚度综合考虑该工程的使用要求,经优化比较在核心筒两侧设置了2道钢板剪力墙核心筒内两片钢板剪力墙的平立面布置详见文献《巨型成对单斜支撑钢结构体系设计研究》图3,4

1钢板剪力墙等效成钢支撑的换算

目前国内工程界常用的SATWE等软件不能建立钢板剪力墙模型,而ETABS等也尚未能很好地模拟钢板剪力墙,因此在整体计算中先将钢板剪力墙等效换算成钢支撑,以钢支撑的形式参与计算在整体计算完成后,再根据结果将计算所需钢支撑等效换算成相应厚度的钢板剪力墙实际上,除非采用单元的生死技术,在软件里面即使采用了平面应力单元来模拟钢板剪力墙,也还是采用钢支撑来等效进行内力分析比较好,原因在于,等效成钢支撑后,支撑承担的重力荷载较小,反而实现了钢板剪力墙不承担竖向荷载的要求下面详细给出钢支撑与钢板剪力墙的等效方法

1.1按刚度等效的钢板剪力墙厚度

交叉支撑(见图1)的抗侧刚度为:

K=2EAbrcos2αsinαH(1)

式中Abr为一根支撑杆的截面面积,α为支撑与水平线的斜角,H为一个交叉支撑占据的高度,E是钢材弹性模量这个抗侧刚度不是单层的,而是跨层的,乘以高度以力的形式表示:

S=KH=2EAbrcos2αsinα(2)

取钢板剪力墙的厚度为ts,宽度为bs(应扣除柱子的宽度),其水平截面抗剪刚度为:

Ssw=Gbsts(3)

令式(2)和式(3)相等,则

Gbsts=2EAbrcos2αsinαts,刚度=52Abrcos2αsinαbs(4)

式中ts,刚度为按刚度等效的钢板剪力墙厚度

1.2按抗剪承载力等效的钢板剪力墙厚度

支撑抗剪承载力为:

Qy=2Abrfcosα(5)

式中f是钢材的设计强度,该式未扣除支撑因为承受了竖向荷载而应该扣除的承载力

剪力墙的抗剪承载力为:

Qy=bstsf/3=0.5773bstsf(6)

令式(5)和(6)相等,则可得:

ts,强度=2Abrfcosαbsf/根号3=3464Abrcosα/bs(7)

式中ts,强度为按抗剪承载力等效的钢板剪力墙厚度

可以看出,在相同钢材等效的条件下,按刚度等效和强度等效的钢板剪力墙厚度之间的关系为:

ts,强度=ts,刚度13323/sin2α(8)

即在通常情况下,是强度等效控制着钢板剪力墙的厚度

1.3钢支撑与等效的钢板剪力墙计算比较

支撑共分7段,分别跨越层1~45~89~1213~1617~2021~2425~28,等效支撑ZC3各段与钢板剪力墙的参数对比见表12



对比支撑ZC3发现,按支撑刚度等效的钢板剪力墙的板厚略偏小,而按照强度等效的较合适,得到的水平承载力是钢支撑的承载力的1.1~1.3倍左右(部分原因在于钢板剪力墙较薄,钢材设计强度取值较高)

上述情况均为在支撑和剪力墙不承受竖向荷载的情况下计算的,实际情况则有所不同对于剪力墙,还需要采取一定的措施,使得其承担的竖向力尽量小,比如采取后固定的措施,即在上部楼层施工到一定程度后,最后再从底部将钢板剪力墙与钢柱子固定(剪力墙的吊装是与同层的钢梁钢柱同步进行)在用钢量方面,支撑用钢量计算为中心点到中心点,但未包含节点钢板剪力墙用钢量的计算为全高(即剪力墙跨的钢梁腹板的用钢量被记入了钢板剪力墙),而宽度为净宽,即扣除了柱子截面高度的部分

从表12和轴瑐瑢剪力墙的等效结果的对比看,相对于支撑,钢板剪力墙的钢材用量有一定的减少(以上计算中未扣除相关位置楼面钢梁,如钢梁腹板按12mm计算,楼面梁腹板用钢量为18.65t,能够大部分补偿钢板剪力墙加劲肋的用钢量)采用支撑尚需考虑节点板用量,而此时钢板剪力墙的加劲肋的用钢量,在扣除相当于斜支撑时钢梁腹板的用钢量,剩下的需要额外增加的用钢量已经不多,因此,采用钢板剪力墙可以做到用钢量少量的节省或相等当然,钢板剪力墙底漆和防火涂料费用会有所增加值得注意的是在采用钢板剪力墙等效时,等效的钢板比需要的厚,实际上,可根据工程结构的具体情况区别对待优化布置,针对部分抗侧移控制的支撑,只需根据刚度等效

2钢板剪力墙加劲肋的设置

钢板剪力墙加劲肋的布置原则为:设置加劲肋使得钢板剪切屈曲的弹塑性临界应力达到抗剪屈服强度同时设置水平和竖向加劲肋的钢板剪力墙,不宜采用考虑屈曲后强度的设计;纵横加劲肋划分的剪力墙板区格的宽高比宜接近于1剪力墙板区格的宽厚比在开口加劲肋时满足:


闭口加劲肋时为:

式中ax,ay分别为竖向加劲肋的水平间距和横向加劲肋的竖向间距

由于电梯井的缘故,钢板剪力墙设置加劲肋以后,剪力墙的总厚度设定为340mm采用冷弯槽钢做加劲肋要求加劲肋惯性矩达到:


式中Isx为加劲肋的惯性矩,表3给出了满足此要求交错设置的单侧加劲肋

从表3看出,钢板剪力墙的厚度取8mm及以上比较合适对于用更薄的钢板剪力墙,除非能够采用更薄的加劲肋,否则加劲肋的用钢量占比例大,焊接工作量也大相对于8mm以下的钢板剪力墙,加劲肋的用钢量会达到其用钢量的22.5%

3钢板剪力墙承担竖向荷载问题

下面考察一下钢板剪力墙真正承受的竖向应力,表45为轴19剪力墙的计算过程KZ5KZ5a四根柱子和钢板剪力墙作为轴压杆,共同承受竖向荷载,分摊到的楼面面积是210m2,地震作用工况按照1.2(D+0.5L)计算竖向轴力,由于核心筒内墙体多,而没有楼板的部位较多,故恒载取5kN/m2,活载取0.5×2.5=1.25kN/m2进行估算(实际上多数楼层活载为2kN/m2,考虑到个别楼层活荷载较大,统一取2.5kN/m2进行估算)


在地震作用组合的工况下,重力荷载产生的竖向平均应力在50~65MPa之间(见表5)


进而求得钢板剪力墙考虑竖向荷载的影响后的剩余抗剪承载力,见表6

剩余抗剪临界应力按照下式计算:


22的情况是,两个柱子和剪力墙1分摊到的楼面面积为154m2抗剪承载力从26 640kN 折减到19 298kN,是由于竖向荷载,水平承载力折减了27. 6%目前允许竖向应力对抗剪承载力的折减是30%但是应灵活理解这个规定,如钢板剪力墙能够保证中震弹性,中震不屈曲,则可以适当放宽对竖向应力的限制

将上述对竖向荷载作用下剪力墙内的竖向应力的计算结果与ETABS计算结果进行比较,发现两者较为吻合说明上述计算是可靠的从这些计算数据可知,在真正的地震到来时,剪力墙将保持抗剪弹性将有能力帮助立柱抵抗弯曲作用,这样依据中心支撑模型进行的计算,得到的立柱的应力比数据,这些数据是没有剪力墙帮助的立柱验算结果,在实际设置剪力墙的情况下,立柱将是偏于安全的尽管如此,如钢板剪力墙分担的面积较大时,钢板剪力墙承担的竖向应力较大在本工程中,我们仍然要求剪力墙的固定要在上部结构的楼板已经完成了层23以上时方可进行,此时竖向荷载产生的应力能够减小30%,抗剪承载力则可以进一步提高对于抗震设计,钢板剪力墙的外框架的梁柱,不能因为钢板剪力墙承担的竖向荷载而减小截面,因为在设防烈度地震下,钢板剪力墙会产生一定程度的屈曲,原先承担的竖向荷载就会卸载给边框柱,边框柱设计时应考虑这部分竖向荷载

4钢板剪力墙施工要点

(1)受运输宽度的限制,钢板剪力墙采用水平安装,即一层分成上下两块,在中部高度处设置贯通加劲肋(指打断了钢板剪力墙的加劲肋),钢板剪力墙与这个加劲肋组成细高的T形截面;贯通加劲肋可以采用钢板或者热轧槽钢截面(2)上下两横条的钢板剪力墙之间有水平焊缝(即钢板剪力墙的拼接缝),要求采用二级焊缝,现场对接,要求采用半自动气体保护焊;焊缝应该在上部楼层安装到层23以上楼板混凝土浇筑完毕以后焊接(3)钢板剪力墙左右采用高强螺栓作为安装螺栓,一侧允许开1∶1.5的椭圆孔,以方便安装,安装螺栓间距,根据钢板的厚度确定,厚度大的可以间距大,厚度在8mm以下的,安装螺栓间距取50t,以确保边缘在焊接之前能够压平直(4)钢板剪力墙就位后,焊接在两侧立柱上的鱼尾板与钢板剪力墙连接固定,就位后可以立即焊接,也可以过后焊接焊缝为三级对接焊缝该安装程序极大地简化了安装,施工效果较好,受到了各方的欢迎

5结语

(1)将本工程核心区域钢支撑改为钢板剪力墙,结构总宽度由800mm减小至340mm,增大了建筑有效使用面积

(2)分析了钢板剪力墙承担竖向荷载时的应力,并提出了考虑竖向应力后钢板剪力墙剩余抗剪承载力的计算方法

(3)所采用的钢板剪力墙安装方法,消除了约30%竖向荷载在剪力墙产生的竖向应力,简化了安装,提高了施工效率

(4)提出的将钢支撑等效为钢板剪力墙的方法,可供其他工程参考选用


来源:沈金, 干钢, 童根树——《钢板剪力墙设计与施工的工程实例》。“建筑结构土木在线”编辑整理。