CN105133751A - 钢板混凝土组合剪力墙抗剪连接件设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢板混凝土组合剪力墙抗剪连接件的设计方法，用于解决现有高层混合结构中组合剪力墙界面剪力计算和连接件布置的技术问题。技术方案是：首先，将弹性状态下按刚度分配到钢板或混凝土上的内力与极限状态下对应部分提供的承载力作差，得到正截面和斜截面界面剪力，进而求得界面总剪力；其次，将界面按受力划分为边区、角区和中区；再次，计算防止钢板局部屈曲的连接件最大间距；最后，根据界面总剪力、界面受力分区和防屈曲连接件最大间距及内力重分布要求布置连接件。本发明适用于平面构件，将界面剪力和连接件承载力统一于极限状态设计方法，衔接现行规范，理论概念清晰，可广泛用于高层混合结构，具有良好的技术经济效益。

Description

钢板混凝土组合剪力墙抗剪连接件设计方法

技术领域

本发明涉及一种应用于高层混合结构中钢板混凝土组合剪力墙连接件的设计方法，属于结构工程技术领域。

背景技术

钢板混凝土组合剪力墙作为一种新型的组合结构构件，由于其承载力高、刚度和延性好，在高层及超高层混合结构中得到广泛应用，并纳入JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中。目前应用较多的截面形式有钢筋混凝土内置单层钢板或外包双层钢板两种，钢板和钢筋混凝土板两部分通过连接件组合而成、协同工作，这种组合作用在刚度计算中的体现是刚度叠加原理，以此实现变形和整体稳定的验算，在承载力计算中的体现是压弯承载力计算的平截面假定及抗剪承载力计算的叠加原理。常用的连接件有栓钉、槽钢、钢筋、开洞钢板等，究其受力，分为两种，一种为钢板和钢筋混凝土界面上由竖向及水平荷载（或作用）引起的界面剪力，另一种为钢板和钢筋混凝土板间由钢板局部屈曲引起的拉力，两者均需要设计人员详细设计和验算。

连接件的设计是钢板混凝土组合剪力墙设计中的重要一环，但是在设计实践中发现，JGJ3-2010只给出了连接件构造要求，尚未给出适用于设计的定量计算方法，其他标准则尚未列入钢板混凝土组合剪力墙的相关规定。GB50017-2003《钢结构设计规范》给出了组合梁抗剪连接件设计方法，此方法适用于线性抗弯构件连接件的设计，钢板混凝土组合剪力墙作为平面构件或组合成空间筒体时，承受轴力、弯矩和剪力等多种内力，受力状态更为复杂，方法不再适用。中国建筑科学研究院于2008年提出采用钢板与钢筋混凝土两部分受剪承载力的较小值作为界面剪力，此方法只考虑了墙体受剪状态下连接件的设计，没有考虑压弯状态下也存在着界面剪力传递；另外界面总剪力按照材料标准值来计算，与连接件承载力的设计值之间不一致，与规范要求的极限状态设计方法不协调。在国外规范中，如AISC341-05针对单边布置钢筋混凝土板的钢板剪力墙，参照钢梁腹板剪切设计密实腹板的高厚比限值来确定连接件最大间距，此方法由钢梁腹板的屈曲延伸而来，其钢板所处的受力状态及边界条件与钢板混凝土组合剪力墙存在较大的差别；如AISC341-10给出了组合钢板剪力墙连接件的设计方法，按照钢板和钢筋混凝土板中较小的剪力来确定，连接件拉力通过非弹性的局部屈曲分析得到，AISC341所指的组合钢板剪力墙与我国规范中的钢板-混凝土组合剪力墙在构造形态上是不同的，AISC341主要靠混凝土板给钢板提供侧向支撑，抑制或改善钢板的局部屈曲和整体屈曲，在承载力的计算中不考虑钢筋混凝土板的贡献，仅在计算刚度时考虑，不适用于我国的规范标准；AISC-360-10给出了型钢混凝土柱、钢管混凝土柱纵向剪力传递的设计规定，包括连接件承载力及界面剪力的确定方法，此方法适用于线性构件，不适用于剪力墙这类平面构件。

综上所述，钢板混凝土组合剪力墙中抗剪连接件的设计尚无定量的计算方法，包括连接件抗剪设计和抗拉设计，现有的计算方法未能真实反映连接件的实际受力状态，在工程设计中或者过于保守、或者不安全，使得设计带有一定主观性和不确定性，影响到这种新型组合构件的正确应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢板混凝土组合剪力墙抗剪连接件的设计方法，解决在现有技术中存在的规范标准未能给出适用于平面构件的设计方法，以及设计方法与承载力极限状态设计方法不一致、不能反映实际受力状态的技术问题。本发明的抗剪连接件设计方法能反映钢板与钢筋混凝土界面上由墙体承受轴力、弯矩和剪力产生的界面剪力，并按照受力特点分区布置，能保证钢板承载力的发挥，防止钢板在屈服之前发生局部屈曲，也能与现行规范较好地衔接，应用方便。

本发明的技术方案如下：

本发明的一种钢板混凝土组合剪力墙抗剪连接件设计方法，其特征在于如下步骤：

第一步，计算正截面界面剪力、斜截面界面剪力和界面总剪力。

正截面界面剪力V_sn根据钢板或混凝土部分按轴向刚度分配的轴力与其所能提供的轴向承载力之差确定，区分非抗震和抗震两种情况，分别按下面公式计算。

V_sn＝f_spA_sp-N·E_spA_sp/(E_spA_sp+E_cA_c)(非抗震)

V_sn＝[f_spA_sp-N·E_spA_sp/(E_spA_sp+E_cA_c)]/γ_RE(抗震)

或者

V_sn＝N·E_cA_c/(E_spA_sp+E_cA_c)-(f_cA_c+f_yA_s)(非抗震)

V_sn＝[N·E_cA_c/(E_spA_sp+E_cA_c)-(f_cA_c+f_yA_s)]/γ_RE(抗震)

其中，E_cA_c为混凝土部分的轴向刚度；E_spA_sp为钢板部分的轴向刚度；f_spA_sp为钢板部分的设计承载力；N为组合墙体的轴向承载力，参考JGJ3-2010的11.4.14条取为N＝f_cA_c+f_yA_s+f_spA_sp；γ_RE为承载力抗震调整系数。

斜截面界面剪力V_sd根据钢板或混凝土部分按剪切刚度分配的剪力与其所能提供的受剪承载力之差确定，区分非抗震和抗震两种情况，分别按下面公式计算。

$V_{sd}=\frac{0.6}{\mathrm{\λ}-0.5}{f}_{sp}{A}_{sp}-V_1\·\frac{G_{sp}{A}_{sp}}{G_{sp}{A}_{sp}+G_c{A}_c}$ (非抗震)

$V_{sd}=\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{RE}}\[\frac{0.5}{\mathrm{\λ}-0.5}{f}_{sp}{A}_{sp}-V_2\·\frac{G_{sp}{A}_{sp}}{G_{sp}{A}_{sp}+G_c{A}_c}\]$ (抗震)

或者

$V_{sd}=V_1\·\frac{G_c{A}_c}{G_{sp}{A}_{sp}+G_c{A}_c}-\frac{1}{\mathrm{\λ}-0.5}(0.5f_t{b}_w{h}_{w0}+0.13N\frac{A_w}{A})+f_{yv}\frac{A_{sh}}{s}{h}_{w0}$ (非抗震)

$V_{sd}=\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{RE}}\[V_2\·\frac{G_c{A}_c}{G_{sp}{A}_{sp}+G_c{A}_c}-\frac{1}{\mathrm{\λ}-0.5}(0.4f_t{b}_w{h}_{w0}+0.1N\frac{A_w}{A})+0.8f_{yv}\frac{A_{sh}}{s}{h}_{w0}\]$ (抗震)

其中，G_spA_sp为钢板部分的剪切刚度；G_cA_c为混凝土部分的剪切刚度；V₁、V₂为组合墙体的设计受剪承载力，参考JGJ3-2010的11.4.13条按下两式计算，式中各符号意义参见JGJ3-2010。

$V_1=\frac{1}{\mathrm{\λ}-0.5}(0.5f_t{b}_w{h}_{w0}+0.13N\frac{A_w}{A})+f_{yv}\frac{A_{sh}}{s}{h}_{w0}+\frac{0.6}{\mathrm{\λ}-0.5}{f}_{sp}{A}_{sp}$

$V_2=\frac{1}{\mathrm{\λ}-0.5}(0.4f_t{b}_w{h}_{w0}+0.1N\frac{A_w}{A})+0.8f_{yv}\frac{A_{sh}}{s}{h}_{w0}+\frac{0.5}{\mathrm{\λ}-0.5}{f}_{sp}{A}_{sp}$

根据所得的正截面和斜截面的界面剪力，通过平方和开平方遇合方法求得界面总剪力为取抗震和非抗震情况中的较大值。

第二步，划分受力分区。

根据圣维南原理并考虑剪力滞后效应，连接件承担界面剪力时，存在一定的传递长度，此长度可取2倍墙厚和1/5墙边长中的较大值。按此长度对界面进行分区，如图1所示，阴影区域为剪力传递过渡区，分为边区(1区)和角区(2区)，其余为构造区域即中区(3区)。图1中H为墙高，取层高扣除梁高后的净高，L为墙长，取墙体的腹板长度，b为墙厚。

第三步，计算防止钢板局部屈曲的连接件最大间距。

根据长边受压、短边自由的等效板条的计算方法，连接件正方形布置和梅花形布置时墙体在压弯和剪切两种受力状态下的等效板条如图2～图5所示，图中d_b为等效板条宽度，s为连接件间距，m和n为不同方向连接件间距数量。为充分发挥钢板承载力和延性性能，保证钢板在屈服之前避免发生局部屈曲，要使板条的计算临界应力σ_cr大于板条的受压屈服强度f_y，据此得到连接件最大间距与钢板厚度的比值即最大距厚比s/t，如下面计算式和表1所示，连接件正方形布置时，最大间距为倍的钢板厚度，梅花形布置时最大间距为倍的钢板厚度，大于此值时需要考虑连接件由钢板局部屈曲引起的拉力。

σ_cr≥f_y

σ_cr＝4π²E_s/[12(1-ν²)]·(t/d_b)²

$d_b/t\≤\mathrm{\π}\sqrt{E_s/\[12f_y(1-{\mathrm{\ν}}^2)\]}$

其中，t为钢板厚度，E_s为钢板弹性模量，ν为钢材泊松比。

表1

第四步，根据界面总剪力、受力分区和连接件最大间距及内力重分布要求布置连接件。

单个连接件的抗剪承载力根据GB50017-2003《钢结构设计规范》计算，由此得到界面上所需要的连接件总数量内置单层钢板或外包双层钢板两种截面形式的界面数量n均为2，将这些连接件按照界面数平均布置，即n_f/n。

每个界面上各区连接件的布置按照如下方法进行：边区(1)连接件间距按照界面剪力在网格阴影范围内(1区和2区的面积和)均匀分布；角区(2)受力集中，在边区(1)基础上间距减半；中区(3)连接件间距考虑内力充分布影响，按照界面剪力在墙板总面积(即H×L，即1区、2区和3区的面积和)内均匀分布确定；构造要求参见JGJ3-2010和GB50017-2003。

本发明的有益效果是：1)钢板与钢筋混凝土界面剪力的计算，基于弹性状态下按刚度分配到钢板或钢筋混凝土两部分上的内力与极限状态下对应部分提供的承载力的差值，理论概念清晰，并且区分正截面和斜截面两种受力，符合剪力墙的复合受力状态；2)根据剪力传递长度将钢板与混凝土的界面按受力划分为边区、角区和中区，连接件布置与受力相关性好，具有经济优势；3)为防止钢板局部屈曲，从理论上给出了连接件最大间距，对薄钢板在组合墙中的应用具有理论指导意义；4)计算方法与现有规范标准协调统一，方便应用。

附图说明

图1为抗剪连接件布置分区图。

图2为连接件正方形布置墙体压弯时的等效板条。

图3为连接件正方形布置墙体受剪时的等效板条。

图4为连接件梅花形布置墙体压弯时的等效板条。

图5为连接件梅花形布置墙体受剪时的等效板条。

图6为钢板混凝土组合墙算例的截面大样。

具体实施方式

结合附图1，以一实际高层混合结构中的某钢板混凝土组合墙为例说明本发明。墙体的混凝土强度等级为C60，钢筋采用HRB400，钢材采用Q345GJ钢。墙体长13.9m，厚1.3m，高10.47m。水平配筋为420200+214200，竖向配筋为425200+214200。单层钢板内置在钢筋混凝土中，厚度为50mm。连接件采用栓钉，直径19mm。截面大样如图6所示。计算步骤汇总在表2中，如下所示。

表2

表2计算结果考虑了JGJ3-2010和GB50017-2003中不大于300mm且不小于6倍栓钉直径的构造要求，栓钉间距最终取值见圆括弧内的数值。

从表2中数据可知本发明结果，边区和角区由计算控制，中区由构造控制，符合力的传递特点；梅花形布置方式效率更高，栓钉间距可适当放大，容易满足构造要求，方便混凝土的浇筑。

表2中还列出了原设计结果，实际工程中为安全起见，在参照现有方法基础上，将墙体周边栓钉间距加密为100mm，中间区域间距为200mm，栓钉直径调整为22mm，与此相比，本发明方法在满足受力基础上，能减少栓钉数量或直径，适当放大栓钉间距，既能节约材料，也能方便施工，具有较好的技术经济效益。

Claims (6)

1.一种钢板混凝土组合剪力墙抗剪连接件设计方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，将弹性状态下按刚度分配到钢板或钢筋混凝土两部分上的内力与极限状态下对应部分提供的承载力作差，分别得到正截面和斜截面上的界面剪力，进而求得界面总剪力；第二步，根据剪力传递长度将钢板与混凝土的界面按受力划分为边区、角区和中区；第三步，根据连接件正方形或梅花形布置方式的不同，计算防止钢板局部屈曲的连接件最大间距；第四步，根据上述界面总剪力、受力分区和连接件最大间距及内力重分布要求布置连接件。

2.根据权利要求1所述的钢板混凝土组合剪力墙抗剪连接件设计方法，其特征在于，界面剪力按照弹性状态下钢板或钢筋混凝土部分按刚度所分配的内力与相应部分在极限状态下提供的承载力作差确定。

3.根据权利要求1或2所述的钢板混凝土组合剪力墙抗剪连接件设计方法，其特征在于，界面剪力分为正截面界面剪力和斜截面界面剪力，通过平方和开方的遇合方法求得界面总剪力。

4.根据权利要求1至3所述的钢板混凝土组合剪力墙抗剪连接件设计方法，其特征在于，剪力传递长度为1/5墙的边长和2倍墙厚的较大值，分布于墙体的周边，包括边区（1）和角区（2），其余部分为中区（3）。

5.根据权利要求1所述的钢板混凝土组合剪力墙抗剪连接件设计方法，其特征在于，中区(3)连接件布置间距应满足在钢板屈服之前防止局部屈曲的要求，正方形布置时其间距不大于倍的钢板厚度，梅花形布置时其间距不大于倍的钢板厚度，f_y为钢板屈服强度。

6.根据权利要求1至5所述的钢板混凝土组合剪力墙抗剪连接件设计方法，其特征在于，中区（3）考虑内力重分布要求，连接件间距按包括边区（1）、角区（2）和中区（3）在内的界面全面积计算。