研究背景
研究背景
网格墙结构是基于网格思想提出的一种新型抗侧力体系（图1）。其特点是用双向斜向分布的带钢构件代替钢板墙体结构中的预埋钢板。构件通过焊接或用鱼尾板螺栓连接到边架梁、柱上。双向布置的带钢构件可通过交叉点处的连接件连接，如图2所示。与钢板墙结构相比，网格墙结构具有焊接工作量小、构件加工运输方便、运输方便等优点。施工和安装。目前网格墙结构的研究主要集中在力学性能方面。严翔宇等.对钢网格墙试件进行了单调加载和低周往复加载试验及有限元分析。结果表明：网格墙结构的滞回曲线呈现完整的梭形形状，早期刚度较强，后期耗能能力良好。 、抗震性能优良。为了简化钢网架墙的设计分析，段岩提出了钢网架墙结构的简化分析模型，为实际工程中钢网架墙结构的建模分析提供了参考。
图1 结构网格划分
图2 钢格板墙的组成
目前，网格墙结构尚未在实际工程设计中得到应用。为了验证其在实际工程中的可行性，本文以兰州新区保障性住房建设项目（二期）9号楼钢框架-钢板墙结构为背景，在原有H型钢框架的基础上-钢板剪力墙结构，将钢板剪力墙替换为钢网格墙并进行分析设计，探讨相同技术参数和荷载条件下钢网格墙结构的受力性能，并为设计提供方法钢网架墙结构在实际中的应用项目。
研究内容
研究内容
1 项目概况
1.1 基本信息
兰州新区保障性住房建设项目（二期）（图3）位于甘肃省兰州市兰州新区。是我国西北地区最大（建筑面积约10万平方米）、甘肃省首个装配式钢结构住宅示范项目。装配率达到76%，符合AA标准。该项目包括住宅10栋、商业网点4个、地下车库1个，地上建筑面积69643平方米，地下建筑面积29699平方米。项目所在地距兰州中川机场仅13.3公里。建筑高度受到限制。住宅设计有10层和11层两个高度。本文分析的9号楼采用H型钢框架-钢板剪力墙结构体系（图4），平面尺寸为38.8 m。
图3 项目效果
图4H钢框架-钢板剪力墙结构体系
1.2 结构布局
原结构典型结构布置如图5、图6所示，钢材全部采用Q345B。框架柱采用热轧宽翼缘H型钢，规格为HW 350×350×12×19、HW 300×300×10×15、HW 250×250×9×14、HW 200×200 × 8 × 12，柱截面自下而上逐渐变化。
图5 柱及钢墙平面布置mm
图6 梁平面布置mm
框架梁采用热轧窄翼缘H型钢，规格为HN 350×175×7×11、HN 300×150×6.5×9、HN 250×125×6×9、HN 200×100× 5.5×8。其中，与钢板剪力墙连接的梁腹因剪力墙钢板的厚度。采用焊接H型钢来实现。规格为H 300×150×10×10、H 250×125×10×10、H 250×125×8×8，梁与柱之间采用刚性连接节点（图7）。
图7 梁柱连接节点
钢板剪力墙的厚度为10、8、6毫米，从下到上逐渐变化。加劲肋水平和垂直混合。钢板与梁、柱之间采用鱼尾板连接。
楼板为预应力钢桁架混凝土组合楼板，如图8所示。预制预应力底板厚度为30毫米。与传统混凝土组合板相比，楼板厚度被压缩，房间净空增大，结构重量减轻。
图8 预应力钢筋混凝土桁架组合板
为了研究钢框架-网格墙结构的力学性能，将原结构中的钢板剪力墙改为钢网格墙，钢材等级为Q345B。 GBQ1对应的钢格墙（GWG1）每侧装有5根单T型钢，并平行等间距布置。 GBQ2和GBQ3对应的钢格墙（GWG2和GWG3）每侧装有4根单T型钢，并平行布置。等间距排列，如图9所示。T型钢截面按壁厚限制和与钢板相当的用钢量原则选择。当梁宽为150mm时，T型钢尺寸为T62.5×60×6×8。当梁宽为125mm时，T型钢尺寸为T50×50×5×7。为了提高钢格板墙抵抗面外变形的能力，将部分T型钢构件的交点进行连接，如图9、图10所示。
a—GWG1； b—GWG2； c—GWG3。
图9 钢网格墙构件布置
图10 跨节点
2 设计技术条件及计算模型
2.1 设计参数及荷载值
建筑设计使用年限为50年，设防烈度为7度（0.15g），场地类别为II类，设计抗震性能分为三组。钢框架、钢板剪力墙、钢网格墙的抗震等级均为四级，地面粗糙度为B级，基本风压为0.3 kN/m2，迎风面体形系数为0.8，背风面体形系数为-0.5，风荷载计算阻尼比为2%。
建筑及屋顶荷载取值参照GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》，见表1。荷载组合参照GB 50009-2012和GB 50068-2018《建筑结构可靠性设计统一标准》 ”，见表2。
表1 地面和屋顶荷载值kN/m2
表2 荷载组合
2.2 计算模型
在YJK和MIDAS/Gen软件中建立钢框架-网架墙结构计算模型（图11和图12），比较整体结构指标的计算结果。 YJK中梁、柱采用梁单元模拟，楼板采用板单元模拟，网格墙T型钢采用桁架单元模拟。在MIDAS/Gen中采用直接分析法进行计算时，需要将网格墙T型钢划分为单元并施加初始缺陷载荷。因此，在MIDAS模型中，需要使用梁单元来模拟T型钢，并释放T型钢构件的端部旋转约束。 。虽然两个单元的受力机制和假设不同，但弹性分析时T型钢构件没有受到侧向荷载。两种型号下的T型钢构件均为轴向受力构件，两者的综合性能可以进行比较。指数。
图11YJK结构模型
图12MIDAS结构模型
上部结构与基础的连接是固定的，限制了节点的平移和旋转自由度。梁与柱之间为刚性连接，次梁与主梁之间为铰接，T型钢与梁、柱之间为铰接。为了模拟T型钢构件相交处的连接，在MIDAS/Gen的“弹性连接”选项下，选择两侧T型钢相交处的节点，并固定两个节点之间 X、Y 和 Z 方向的自由度。 ，实现两侧T型钢相交处三个平动自由度的耦合。 MIDAS/Gen 中钢网格墙的简化模型如图 13 所示。
a—GWG1； b—GWG2； c—GWG3。
图13 钢网格墙简化模型
3 主要计算结果
3.1 总体指标
采用MIDAS/Gen和YJK对结构进行弹性分析。许多地震效应都是使用模态分解反应谱法（CQC 法）来计算的。阻尼比为0.04，周期减少系数为0.9。双向水平地震效应和意外偏差的影响。为了比较钢框架-网格墙结构与原钢框架-钢板剪力墙结构的整体性能，采用YJK对原钢框架-钢板剪力墙结构进行弹性分析。
图14和图15显示了地震和风荷载作用下两种结构的层间位移角。表3为使用两种软件得到的钢框架-网架墙结构的总体指标以及使用YJK软件得到的钢框架-钢板剪力。墙体结构总体指标。两款软件的分析结果较为接近，各项指标均符合JGJ 99-2015《高层民用建筑钢结构技术规范》和GB 50011-2010《建筑抗震设计规范（2016）》的要求。版）”，表明该结构抗侧向力，构件布置合理、有效。对比两种结构的计算结果，用钢格栅墙替代钢板后，自振特性变化不大，用钢量减少，层间位移也比较均匀。虽然网格墙结构的侧向刚度略小于钢板墙结构，但用相应的钢网格墙替代钢板剪力墙后，用钢量和焊接工作量都大大减少，如图表4，因此钢格网墙在运输和安装方面都比较方便，符合当前大力发展装配式钢结构的政策要求。
图14 地震位移角对比
图15 风荷载位移角对比
表3 总体指标比较
表4 首层钢网架墙与原钢板剪力墙用钢量及焊接作业对比
注：钢格板墙用钢量包括T型钢、鱼尾板、连接板用钢量。焊接工程量为T型钢、鱼尾板、连接板连接焊缝的总长度；钢板剪力墙用钢量包括钢板、鱼尾板和加强筋的用钢量。焊接工程量为连接钢板、鱼尾板和加强筋的焊缝总长度。
3.2 构件承载力计算
目前，计算时将钢格墙的T型钢构件视为轴向受力构件。它们可以认为是GB 50017-2017《钢结构设计标准》中轴压构件的稳定性计算方法考虑了其面内稳定性和外部稳定性。但由于钢网格墙T型钢构件不属于钢柱、钢梁及支撑类型，其计算长度系数的值仍不清楚，很难用一阶验算弹性分析方法。因此，采用直接分析法，通过强度校核公式直接校核构件承载能力。 MIDAS模型中按照最低阶整体失稳模态添加整体初始缺陷，通过虚均布载荷法添加构件初始缺陷。由于反应谱分析不能与非线性分析同时进行，因此将地震作用以静力地震作用的形式考虑钢结构轴心受压构件，然后进行各荷载组合下的非线性分析。图16显示了所有钢构件的强度应力比的计算结果。从图中可以看出，构件的承载能力均满足GB 50017-2017的要求。
a——梁； b——柱； c——T型钢。
图16 应力比计算结果
4 关键节点设计与分析
4.1 T型钢与框架连接节点设计
T型钢不能直接与车架连接，需要通过鱼尾板与车架过渡连接。鱼尾板选用20 mm厚Q345钢板，如图17所示。
图17 T型钢与框架连接节点详图
4.2 精细化有限元模型的建立
鱼尾板的设计对钢格板墙的性能至关重要。鱼尾板是T型钢与边缘构件之间的连接构件。如果鱼尾板损坏，边缘构件对钢格板墙的约束作用将大大减弱，导致钢格板墙无法充分变形而消耗能量，影响结构消耗。能量效应，因此需要对其力学性能进行深入分析。
但设计软件的整体结构分析模型中，所有构件均采用一维线单元建模，无法模拟鱼尾板。因此，有必要建立局部下部结构细化的有限元模型进行分析。
在有限元软件ABAQUS中建立了钢网格墙三层局部下部结构的细化有限元模型，如图18所示。其中框架梁、柱采用网格尺寸为25 mm的S4R单元;鱼尾板、T型钢和垫板采用C3D8R单元，网格尺寸为15毫米。选择理想的弹塑性模型作为材料的本构模型。底部的所有自由度以及梁的面外平移自由度均受到约束。 T型钢与鱼尾板之间、鱼尾板与框架梁柱之间、T型钢与垫板之间采用“拉杆”连接，模拟焊接连接。
图18 局部下部结构有限元模型
4.3 有限元分析结果
在MIDAS/Gen中，提取荷载包络组合作用下柱顶的内力和梁上的荷载，分别施加到柱顶和梁顶，并对每层柱顶施加强迫位移，其大小为荷载组合作用下的柱顶位移。价值。应力云图如图19所示。可以看出，结构在设计荷载值下没有屈服。
图19 设计载荷下的应力云图 MPa
为了研究鱼尾板及构件的屈服顺序，将1至3层柱顶的受迫位移放大10倍。鱼尾板屈服时的应力云图如图20所示。可以看出，鱼尾板屈服时，大部分T型钢构件、梁端及底部柱脚受压侧均已发生截面屈服，满足“强接头”的要求。 、弱元件”的设计要求。
图20 鱼尾板屈服时的应力云图MPa
综上所述
结论
本文结合高层钢结构住宅工程实际，采用钢框架-网格墙体进行结构布局设计，进行整体结构分析、关键构件分析和连接节点设计分析，得出以下结论：
1）钢框架网架墙结构的抗侧力构件沿平面和立面规则合理布置，各项指标均符合JGJ 99-2015和GB 50011-2010的要求，但其侧向刚度稍小低于钢框架-网架墙结构。钢板剪力墙结构，但钢格板墙的用钢量和焊接工程量均低于相应的钢板剪力墙，便于运输和安装，符合当前大力发展的政策要求。发展装配式钢结构。
2）针对钢网格墙长度系数计算不清楚，无法用一阶弹性分析方法计算的问题，采用直接分析法校核构件承载力。所有部件的承载能力符合GB 50017-2017的要求。
3)通过细化的有限元模型分析了荷载包络组合下钢格板墙的应力。结果表明，鱼尾板、T型钢构件、边缘构件在设计荷载作用下没有屈服，继续加载直至鱼尾板屈服时钢结构轴心受压构件，T型钢和边缘构件会先屈服，满足“强节点、弱杆件”的设计要求。
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关于作者
陈志华
天津城建大学副校长
天津大学二级教授 讲座教授 博士生导师
《钢结构（中英文）》编委会
博士
国家百千万人才、天津市杰出人才、天津市优秀学者、国务院政府特聘专家、天津市科协常委、全国百强博士生导师、中国首届钢结构杰出人才、天津市工程勘察设计大师。 2019年荣获中华人民共和国成立70周年奖章。 天津大学建筑工程学院钢结构研究所所长，兼任中国建筑金属结构协会铝结构分会会长、副会长兼任中国钢结构协会专家委员会主任、中国建筑业协会钢木分会副会长、天津市钢结构协会理事长。天津市钢结构协会会长等。发表SCI论文126篇，EI论文216篇。作为负责人获得国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖6项，发明专利36项。研究成果已应用于十三运会系列场馆、天津文化中心重点工程、国家会展中心（天津）等100多个大型基础设施建设项目。
严翔宇
天津科技大学教授、硕士生导师
博士
兼任天津市钢结构协会副秘书长、天津大学设计院工程技术研究所副所长、钢结构中心主任。从事预应力钢结构、空间结构、装配式住宅钢结构、海上光伏清洁能源布局选择与优化、结构智能建造技术等方面的技术研发、推广应用和人才培养。主持或参与国家及地方科研项目。十多个项目，负责完成了数十个大跨度空间结构项目和装配式钢结构住宅项目，代表性项目包括2022年冬奥会冰上比赛场馆和沧州富康家园钢结构住宅等。国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步特等奖2项，一等奖4项，专利金奖1项；荣获行业优秀设计一等奖2项、二等奖4项，省部级优秀设计一等奖10余项；主持或参与编写国家和地方标准、图册等17项。获得授权专利22项，出版专着2部，在国内外期刊发表学术论文80余篇，培养研究生10余名，荣获天津大学优秀硕士论文导师、2019年第十五届天津市青年科学技术奖称号。
