一种刚度可调的大刚度钢板墙设计方法

本申请涉及建筑工程，具体地说，是涉及一种刚度可调的大刚度钢板墙设计方法。

背景技术：

1、无屈曲波纹钢板墙的抗侧刚度大、消能能力好，因此可以很好地替换防屈曲支撑等承载-消能构件，同时钢板墙具有布置灵活的优点，可以解决建筑洞口处无法布置brb的问题，所以越来越的项目中采用了无屈曲波纹钢板墙。

2、但是，有些项目中，结构对于无屈曲波纹钢板墙的抗侧刚度需求过大，导致波纹钢板的厚度要达到20mm、25mm甚至30mm。而这个厚度的钢板弯折成形非常困难，普通折弯机无法满足要求，而需要采用特殊工艺，造成加工难度和成本变得很高，因此这一类新技术在应用推广中存在这一方面的较大阻力。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本申请提出了一种刚度可调的大刚度钢板墙及其设计方法。一方面，本申请通过在波纹钢板墙的一侧设置混凝土板等部件，来实现利用组合钢板墙作用，提高钢板墙在小震下的弹性刚度，相同刚度下，波纹钢板的厚度可减薄一半；以及通过在栓钉连接部分采用轻质混凝土和长圆孔连接，来实现在中大震下，混凝土板等部件退出抗侧，只为波纹钢板提供面外约束，从而保证墙体的消能能力。另一方面，本申请通过设计和调节混凝土板等刚度提升部件的厚度或者面内外刚度，不仅可实现钢板墙的大刚度，还可以实现钢板墙的刚度可调功能。

2、技术方案：

3、一种刚度可调的大刚度钢板墙设计方法，其特征是：

4、步骤1，设计构造

5、该大刚度钢板墙设计为：包括波纹钢板2、边缘构件3以及刚度调节层1；其中，所述边缘构件3设置于波纹钢板2两端，所述刚度调节层1设置于波纹钢板2的一侧，与所述边缘构件3之间存在间隙4。

6、步骤2，设计算法

7、设计算法，用于调节和确定大刚度钢板墙的构件参数，在应用中通过调节和控制波纹钢板厚度(目标是减薄)以控制成本，降低加工难度并提高效率，且大刚度钢板墙在多遇地震下可为结构较大的提供抗侧刚度，设防地震或罕遇地震下可为结构提供较大的消能能力，从而减小结构在多遇、设防和罕遇地震作用下的地震响应，提高结构的抗震安全性。

8、具体地，步骤1中:

9、所述刚度调节层包括主体和若干连接节点单元；其中，所述连接节点单元包括短槽钢、连接件、轻质混凝土，通过连接件、短槽钢与波纹钢板相连接；具体为：

10、所述短槽钢倒扣在波纹钢板上，其中央设置有滑动孔，其两端固定在刚度调节层的主体中；

11、所述连接件的底部固定于波纹钢板，其上部穿过并限位于短槽钢的滑动孔；

12、所述轻质混凝土浇筑在连接件和短槽钢处，将连接件和短槽钢固定在一起。

13、所述刚度调节层的主体可采用混凝土板或钢箱板等具有较大面内外刚度的部件，可通过改变刚度调节层的厚度来改变其抗侧刚度和面外刚度，进而满足抗侧刚度需求和满足波纹钢板的弹塑性防屈曲需求。

14、具体地，步骤2算法包括如下步骤:

15、s2.1寻优刚度调节层厚度tc

16、根据抗侧刚度需求和组合墙作用下的波纹钢板墙的抗侧刚度设计方法，确定所需刚度调节层的厚度。

17、s2.1.1选取一个初始值作为刚度调节层的厚度tc；

18、s2.1.2计算大刚度钢板墙对应的等效波纹钢板厚度，等效波纹钢板厚度t′如式(1)所示：

19、

20、式中，ts为波纹钢板的厚度；tc为刚度调节层的厚度；ec为混凝土弹性模量；es为钢材弹性模量。

21、s2.1.3利用步骤s2.1.2所得的等效波纹钢板厚度，按公式(2)计算大刚度钢板墙的抗侧刚度；判断计算所得的大刚度钢板墙的抗侧刚度值是否满足抗侧刚度需求，如果满足，则最终的刚度调节层的厚度为tc；否则，根据与抗侧刚度需求的偏差调整刚度调节层的厚度tc的值，重复步骤s2.1.2、s2.1.3；

22、

23、式中，k为大刚度钢板墙的抗侧刚度；n为波纹钢板波型的数量；ks为波纹钢板墙的抗剪刚度；kd为波纹钢板墙的抗扭刚度；km为波纹钢板墙的抗弯刚度。

24、s2.2验算小震下刚度调节层设置以后整个墙体的稳定性，此时墙体的屈曲承载力设计公式如(3)所示，若式(3-1)不满足，则在满足抗侧刚需求的条件下增大tc值，以满足式(3-1)。

25、

26、q′crp>qy           (3-1)

27、其中，q′crp为整个墙体的屈曲承载力；d′x、d′y、d′xy分别为根据式(1)等效后，单个波绕x轴、y轴的抗弯刚度和扭转刚度；a、b分别为波纹钢板的宽度和高度；qy为大刚度钢板墙的屈服承载力。

28、s2.3验算中震和大震下，刚度调节层是否满足面外刚度要求，从而使波纹钢板墙不会发生弹塑性屈曲。此时，大刚度钢板墙的墙体屈曲承载力设计验算公式如(4)所示；若式(4-1)不满足，则在满足抗侧刚需求的条件下继续增大tc值，以满足式(4-1)。

29、

30、q′crp>qu   (4-1)

31、其中，dx、dy、dxy分别为未经式(1)等效时，波纹钢板单个波绕x轴、y轴的抗弯刚度和扭转刚度；dxc、dyc、dxyc分别为刚度调节层单个波绕x轴、y轴的抗弯刚度和扭转刚度，qu为大刚度钢板墙的极限承载力。

32、s2.4根据轻质混凝土承载力设计，如式(5)所示，设计轻质混凝土发生破坏的时机，从而实现小震下波纹钢板墙和刚度调节层共同抗侧，中震或大震下刚度调节层退出抗侧，只为波纹钢板墙提供面外约束，提供并保证钢板墙耗散地震输入结构能量的性能。

33、

34、其中，v为钢板墙屈服时，栓钉或螺栓受到的剪力；nf为栓钉或螺栓数量；as为栓钉或螺栓的截面积；e’c为轻质混凝土的弹性模量；fc为轻质混凝土的抗压强度。

35、本申请优点和有益效果：

36、1、采用本申请方法设计出的刚度可调的大刚度钢板墙，由于采用了刚度调节层，波纹钢板的厚度可减薄并控制在普通折弯机能折的范围内，因此钢板墙的成本更低，且加工更高效；

37、2、采用本申请方法设计出的刚度可调的大刚度钢板墙，通过改变刚度调节层刚度提升部件的厚度或者面内外刚度，可实现钢板墙的大刚度，以及刚度可调，使此项技术的应用范围更广，特别是对抗侧刚度需求大的工程项目。

技术特征：

1.一种刚度可调的大刚度钢板墙设计方法，其特征在于，

2.如权利要求1所述的刚度可调的大刚度钢板墙设计方法，其特征在于，所述步骤1中：

3.如权利要求2所述的刚度可调的大刚度钢板墙设计方法，其特征在于，所述短槽钢(1-1-1)倒扣在波纹钢板上，肢背中间开设有长圆孔作为滑动孔，以使连接件(1-1-2)在其中来回滑动；每个短槽钢(1-1-1)的两端固定在刚度调节层(1)的主体中，中间的滑动孔固定在轻质混凝土(1-1-3)中。

4.如权利要求2所述的刚度可调的大刚度钢板墙设计方法，其特征在于，所述刚度调节层(1)的主体(1-2)采用混凝土板，内部浇筑有普通混凝土(1-2-1)，每个短槽钢(1-1-1)两端固定在刚度调节层(1)的普通混凝土(1-2-1)中。

5.如权利要求2所述的刚度可调的大刚度钢板墙设计方法，其特征在于，所述连接件(1-1-2)采用螺栓或者传统栓钉；连接件(1-1-2)底部焊接固定于波纹钢板(2)一侧，另一端通过螺母拧在短槽钢(1-1-1)上，并固定在刚度调节层(1)内部的轻质混凝土(1-1-3)里。

6.如权利要求2所述的刚度可调的大刚度钢板墙设计方法，其特征在于，所述轻质混凝土的强度、刚度调节层的厚度参数，能够控制其在多遇地震下为结构提供的抗侧刚度、在设防地震和罕遇地震下为结构提供的消能能力。

7.如权利要求1所述的刚度可调的大刚度钢板墙设计方法，其特征在于，所述步骤2中，具体包括如下步骤：

8.如权利要求7所述的刚度可调的大刚度钢板墙设计方法，其特征在于，所述步骤2中，当所得的大刚度钢板墙的抗侧刚度值与抗侧刚度需求的相对误差绝对值<＝5％时，则满足抗侧刚度需求。

技术总结
一种刚度可调的大刚度钢板墙设计方法，包括：步骤1，设计构造，大刚度钢板墙包括波纹钢板、边缘构件以及刚度调节层，边缘构件设置于波纹钢板两端，刚度调节层设置于波纹钢板的一侧，与边缘构件之间存在间隙；步骤2，设计算法，用于调节和确定大刚度钢板墙的构件参数，在应用中通过调节和控制波纹钢板厚度以控制成本，降低加工难度并提高效率，且大刚度钢板墙在多遇地震下可为结构提供较大的抗侧刚度，设防地震和罕遇地震下可为结构提供较大的消能能力，从而减小结构在多遇、设防和罕遇地震作用下的地震响应，提高结构的抗震安全性。本申请设计的刚度可调大刚度钢板墙，波纹钢板更薄，加工难度更低，经济性更好，应用范围更广。

技术研发人员：金华建,孙飞飞,李国强
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15