薄壁钢-混凝土组合墙板的剪切屈曲分析.pdf
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1、第 4 0卷第 2期 2 0 1 3年 2月 建筑技术开发 Bui l d i ng Te c hn i q u e De v e l o pme n t Vo 1 4 0, No 2 Fe b 2 01 3 薄壁钢 一混凝土组合墙板 的 剪切屈 曲分 析 木 夏冰青 戴 - 云 董军 ( 1 南京工程学院建筑工程学院, 南京2 1 6 6 6 7 ; 2 江苏省化工设计院有限公 司, 南京2 1 0 0 2 4 ; 3 南京工业大学土木工程学院 , 南京2 1 0 0 0 9 ) 摘要 】 研究 了设 置 自攻 螺钉 连接件的薄壁钢 一混凝土组合墙板 中钢面板 的受剪屈 曲问题。栓 钉的设置
2、有效 抑制了 钢板过早发 生局部屈 曲, 提高 了组合板 的 承载能 力。提 出新的位 移 函数 , 利用 能量法分 析钢 面板 的受 剪屈 曲 , 分析了屈 曲系数 随栓钉 问距变化 的规律 。针对板件 的不同使用 功能要求 , 给 出了各种厚度板件 的栓钉间 距 限值 , 供设计参考 。 关键词 组合墙 板 ; 钢面板 ; 剪切屈曲 ; 能量法 中图分类号 T U 3 7 5 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 0 9 0 4 S TEEL S KI N BUCKLI NG oF LI GHTW EI GHT S TEEL C
3、oNCRETE CoM PoS I T E W ALLI NG S YS TE M S UB J ECTED To P URE S HEAR LoAD Xi a B i n g - q i n g D a i B o - y u n Du n g J u n Ab s t r a c t Ke y w o r d s Th e s he a r b uc k l i n g o f s t e e l s ki n i n t h i n wa l l e d s t e e l c on c r e t e c o mp o s i t e wa l l wi t h s t u d s i
4、 s a n a l yz e d Thr o ug h s e t t i ng s t uds , t h e pr e ma t u r e l o c a l bu c k l i ng o f s t e e l s ki n i s e f f e c t i v e l y i n h i b i t e d, a n d t h e c a r r yi n g c a p a c i t y o f c o mpo s i t e wa l l i s we l l i mp r o v e dBy pr o p o s i n g n e w d e f o r ma t
5、i o n f u nc t i o ns, t he b uc k l i n g o f s t e e l s k i n un d e r pu r e s he a r l o a d i s a n a l y z e d us i n g e n e r g y me t h o dAnd t h e r e l a t i o n c ur ve s o f b uc k l i n g c o e f f i c i e n t a n d s t u d s pa c i n g a r e o bt a i n e d Ac c o r di n g t o d i f
6、f e r e nt f un c t i o n a l r e q u i r e me n t s, t h e s t u d s p a c i ng l i mi t s o f v a rio u s p l a t e t h i c k n e s s a r e g i v e n f o r r e f e r e n c e c o mpo s i t e wa l l i n g s y s t e m ; s t e e l s k i n; s h e a r b uc k l i n g; e n e r g y me t ho d 由于人 口、 资 源 、 能
7、 源 和 环 境 的 压力 , 我 国建 筑 业急需发展新型高性能结构和维护体系。组合结构 可 以有效 发 挥钢 材 和混 凝 土 两 种 材 料 的 优点 , 克 服 各 自的缺 点 , 形成 性能 更好 的体 系 , 成 为 结构 工程 领 域研 究及 应 用 的热 点 之一 。 美国、 澳大利亚、 日本 、 新西兰等 国家在新 型钢 基金项 目: 国家 自然 科学基 金 ( 5 0 8 7 8 1 0 5 ), 南京 工程 学院校 级科 研基金项 目( Q K J A 2 0 0 9 0 0 8 ) 收稿 日期 : 2 0 1 21 11 5 作者简介 : 夏冰青( 1 9 7 5 一
8、) , 女 , 安徽砀 山人 , 毕业于南京工业大学 , 硕 士 , 讲师 , 主要研究方 向为钢结构理论与应用 。 通讯作者 : 董 军( 1 9 6 4 - ) , 男 , 湖北 恩施人 , 毕 业于 同济 大学 , 博 士 , 南 京工业大学 土木工 程学 院教授 、 院长 、 博导 , 主要 研究 方 向为钢结构及结构抗震减震 。 和组合结构体系方面走在世界前列 , 突出表现是工 业化程度高、 环境友好 、 综合效益明显的轻钢龙骨体 系住 宅 比重 逐 年 上 升 。在 此 基 础上 , 从 本 世 纪 初开始 , 新西兰等国家率先启动了新 的国家科技计 划 , 支持用于建筑业的薄壁钢
9、 一 混 凝土墙板结构体 系研 究 , 目前 已进 人 产 品研 发 阶段 。英 国已有 研 究表 明, 薄壁钢 一轻质加气混凝土组合墙板受压时 具有 良好延 性 , 即使 钢 面板 壁 厚 0 4 I B m、 轻质 加 气 混凝 土密 度 1 0 0 0 k g m , 由 2层 薄壁 钢板 中夹 轻质 加气混凝土组成的墙体结构也可用于 4层建筑的承 重墙体 。相 比之下 , 我 国的相关研究进展 较慢 , 产业化程度较低。如轻钢龙骨体系在美国已用于多 层和小高层建筑, 在我 国仍然只在低层别墅等较小 范围得到应用 , 钢结构和组合结构房屋尤其是住宅 9 第 2期 夏冰青 , 等 : 薄壁
10、钢 一混凝 土组合墙板的剪切屈曲分析 第 4 0卷 所 占比重远 低 于发达 国家 。这 不仅 与我 国 的技术 储 备有关 , 也和我国的消费习惯和产业配套相关 。 相对 于轻钢 龙骨体 系 , 薄 壁 钢 一混凝 土 组 合墙 板 结 构是一种表面采用钢面板 , 内部填充轻质混凝 土的 新型组合墙板体系 , 该体系更接近传统 的剪力墙 和 框架 一剪 力墙 结构 , 推 广应 用易 于为市场 接受 ; 采用 泡沫 混凝 土等 隔热 保 温性 能 好 的 芯板 , 可 以获得 优 越的维护性能 , 为我 国墙体材料 的升级换代提供 一 条有 效 的途径 。 因此 , 研 究薄 壁 钢 一混凝
11、 土 墙 板 结 构具 有 重要 的应用价 值 。 组 合墙 板 主 要受 面 内压 力 和剪 力 , 其 控制 破 坏 形 式主 要是钢 面板 出现局 部屈 曲 。钢 面板 屈 曲前 与 芯板紧密结合 , 屈曲后部分脱离芯板 向外鼓 曲, 是一 种典型的单边接触屈曲, 分析存在较大的困难 , 国际 上 正 在 形 成 新 的 研 究 热 点 , 国 内 还 基 本 处 于 空 白 。 目前 国内外研 究大都 针对 钢面 板 与芯板 之 问未设 置连 接件 的情 况 进 行 分析 , 组 合 墙 板 承载 力 低 , 本课题提出一种加强薄壁钢 、 混凝土之 间粘结的 新形 式 带栓 钉组 合
12、墙 板 , 即在 钢 面 板 与 芯板 之 间增设 自攻 螺钉 连 接件 , 提 高钢 面 板与 混 凝 土 芯板 协 同工 作 的 能 力 , 有 效 抑 制 钢 板 过 早 发 送 局 部 屈 曲 。带栓钉组合墙板 , 不仅工厂制作方便 、 墙体 表 明平整 , 而且 钢 面板 通过 自攻螺 钉 与芯板 连接 , 屈 曲承载力 得到 大 幅度 提高 , 适于 推广应 用 , 具 有重要 研 究价值 。 由于 芯板 的 约束 导致 问题 的非 线性 , 同 时栓 钉 连 接件 的存在 增加 了问题 的复 杂 性 , 本 文针 对 设 置 栓 钉组 合墙板 的钢 面板进 行 了剪切 屈 曲分
13、析 。 1能量 法屈 曲分 析 为 保 证墙 板 两侧 钢 面板 与 芯 板均 有 可靠 连 接 , 自攻螺钉采用双面对称布置。连接点的布置应有效 抑制钢 面板 过早 发生 局 部 屈 曲 , 采用 在 面 板平 面 内 纵横两个方向上按并列方式布置 自攻螺钉, 栓钉 间 距为 s , 采 用 能量 法 研 究 其 栓 钉 问距 对 面板 局 部 屈 曲性 能 的影 响 。 1 1 分析模 型 设 置 栓 钉 时 , 纵 横 两 方 向按 等 间距 设 置 , 栓 钉 布 置形 式 如 图 1所 示 。 设 置 栓 钉 后 板 件 的屈 曲模 态如图 2所示 , 屈曲波呈斜向分 布 , 屈 曲
14、波 的波长 与所 布置 的 栓 钉 间 距 有 关 , 在 设 置 栓 钉 处 和 板 件 的边界处 , 板 件 的位 移为零 。分 析时取 整个钢 面 板为研究对象 , 栓钉之 间钢面板 的力学模型如图 3 所示 , 芯材的约束模拟与压力荷载下 的相 同, 如图 4所示 1 0 斗 斗 斗 斗 一 图 1 设置栓钉 的板件示意 图 2 板件受 剪屈 曲模态 图 3考虑粘 结约束 面板的力学模型 图 4芯板对钢 面板 的约束模 型 1 2 位 移 函 数 根 据屈 曲模态 的特 征 , 利用 MA T L A B软件 中图 形 可视 化方法 , 经分 析 比较 , 选 取钢 面板屈 曲变形 的
15、 位 移 函数为 多项式 与三 角 函数 的组 合 : = A c o s ( 卜。 s ( 1 s ( ) ) ( 。 s ( ) ) 式 中 : A为待定 常 数 , o为 钢 面板 在 方 向的 长 度 , b 为 钢面板 在 Y方 向 的长度 , s 为栓 钉 间距 , s 为 表示屈 曲半波 内钢 面板 深 入 内部芯 板 的长 度 的 第 4 0卷 夏冰 青, 等 : 薄壁钢 一混凝土组合 墙板 的剪切屈曲分析 第 2期 参数。 1 3 屈 曲分析 对于薄壁钢一混凝 土组合墙板 , 内部填充材料 为混 凝 土 , 其 受 压 刚度 可 以近似 看 成 无 限大 , 即 k =。 。
16、 。钢面板与混凝 土芯板 的粘结 约束通 常不 大 , 并且受施工质量等 因数影 响较大 , 为安全起见 , 忽略粘 结 刚度 , 近 似 取零 , 即 k = 0 。 因此 s =0 , 位 移函数可以简写为 : = A s ( ) ( 一 2 rr x ) ) ( s ( ) ) ( 2 ) 边 界 条件 : W( , 0 )= 0 ; W ( , b )= 0 ; W( 0 , Y )=0 ; ( a , Y )= 0 ; W( n 5 , n j s )= 0 , n =1 , 2 , 3 m , m 为 方 向栓钉的个数 n =1 , 2 , 3 m , m 为 Y方向栓钉的个数 I
17、 0 l : 。 ; l删 0 l = 0 a y l :0 ay I : 6 ay 1 : 0 a y l 钢面板发生微小屈 曲变形后 , 体系总势能 主要 由两部分构成 : 钢面板的变形能 U和外力所作 的功 。把位移 函数带人板件势 能表达式 中, 得 到钢面 板发生微小屈 曲变形后一 个屈 曲波 内板 积蓄 的势 能为 : n = UT ( 3 ) U = D 。 b 0 2 W + 雾 ) 一 2 ( 1 【 0 2 w 0 2 w 一 ( ) d y ( 4 ) = : 2 x ( ) y ( 5 ) 其中, D为薄板的弯 曲刚度, 为面板 的泊松 比, 为剪 力 。 根据势能驻值
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