弹性约束作用下各种截面剪力墙的局部屈曲分析

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钢筋混凝土核心筒和外钢结构框架的结构体系已普遍应用于超高层建筑结构中,核心筒超前施工的顶模系统成为十分常用的施工技术。已有学者分析得到:核心筒超前施工先层数主要取决于核心筒内墙的局部稳定性能。目前,核心筒超前施工剪力墙墙肢的局部屈曲鲜有研究,我国《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010(下文简称《高规》)只针对常规层高在使用阶段的墙肢稳定进行了规定,对超高层超前施工时剪力墙墙肢的局部稳定未做相关规定。另外,《高规》中验算剪力墙墙肢局部稳定性时,并未考虑翼缘或腹板的弹性约束对墙肢局部稳定性的影响。本文采用里兹法和有限元方法对非均匀压应力作用下的T形、Ⅰ形、L形、C形和Z形截面剪力墙墙肢的弹性屈曲进行全面详细的分析,提出了弹性约束作用下各种截面剪力墙墙肢的屈曲系数计算公式,并在实际工程应用中,取得了较好的效果。对现行《高规》中墙肢的局部稳定验算进行了分析研究,总结了《高规》在超前施工剪力墙墙肢稳定验算上的局限性。利用里兹法和有限元方法对不同边界条件下的单块矩形板在非均匀压应力作用下的弹性屈曲进行了分析,包括四边简支板、两边简支两边固支板、单边简支板和单边固支板,分析得出对于纵横比a/b大于5的板件,其屈曲系数可以直接取临界屈曲系数代替;基于各国规范拟合得到了适用于混凝土材料的各类情况下矩形板临界屈曲系数的拟合公式。分析结果表明:本文给出的计算公式具有很高的精度且偏于安全,也为后续研究提供了理论支持。根据各截面翼缘与腹板之间的相互作用及其自身的边界条件,将各种截面划分为四大类,分别进行分析研究。利用里兹法和有限元方法对非均匀受压作用下T形截面腹板的弹性屈曲进行了分析研究。根据理论分析的结果,引入了与翼缘扭转刚度和腹板弯曲刚度相关的参数,对翼缘的约束作用进行了直接的描述。通过大量有限元模型的计算得到了考虑翼缘扭转加劲肋约束的对称T形截面腹板屈曲系数的计算公式,在此基础上,对非对称T形截面腹板的弹性屈曲进行了分析,得到了适用于非对称T形截面腹板屈曲系数的计算公式。特别的,引入折减系数来描述L形截面腹板屈曲系数与对称T形截面腹板屈曲系数的差异。分析结果表明:本文给出的T形截面腹板屈曲系数的计算公式具有较高的精度且形式简洁,便于实际工程应用。利用里兹法和有限元方法对非均匀受压作用下Ⅰ形截面腹板的弹性屈曲进行了分析研究。基于里兹法推导出的Ⅰ形截面腹板屈曲系数显示计算公式,为后续有限元分析计算提供了理论基础,但其形式复杂,不便于直接应用。根据大量有限元模型的计算得到了考虑翼缘扭转加劲肋约束的对称Ⅰ形截面腹板屈曲系数的计算公式,该式具有较高的精度,且表示式形式简洁,更与T形截面腹板屈曲系数计算公式具有一致的表达式形式。比较三种方法计算的屈曲系数,对拟合计算公式的适用性进行了验证与分析。在此基础上,对非对称I形截面腹板的弹性屈曲进行了分析,得到了适用于非对称I形截面腹板屈曲系数的计算公式。同样引入折减系数来描述C形以及Z形这一类特殊I形截面腹板屈曲系数与对称I形截面腹板屈曲系数的差异。利用有限元方法对均匀受压作用下T形截面翼缘的弹性屈曲进行分析,分析结果表明:T形截面翼缘可简化成对应的L形截面腹板进行计算,且在保证安全的前提下具有较高的精度。对于非对称的T形截面翼缘,只需要考虑翼缘宽度较大一侧翼缘的弹性屈曲。利用里兹法和有限元方法对均匀受压作用下I形截面翼缘的弹性屈曲进行了分析,采用里兹法推导出了I形截面翼缘屈曲系数的显示计算公式,为后续有限元分析计算提供了理论基础,但其形式复杂,不便于直接应用。根据大量有限元模型的计算得到了考虑腹板转动弹簧约束的对称I形截面翼缘屈曲系数的计算公式,该式具有很高的精度,且表示式形式简洁。在此基础上,对非对称I形截面翼缘的弹性屈曲进行了分析,分析结果表明:不同于T形截面翼缘的弹性屈曲,非对称I形截面翼缘的屈曲需对两侧翼缘均进行验算;特殊的,对于C形及Z形截面翼缘的屈曲系数需要修正其转动弹簧约束刚度。
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