联肢加劲钢板剪力墙滞回性能试验研究与数值分析

完成了3个1/3比例的3层联肢钢板剪力墙试件的低周反复加载试验。3个试件的钢板剪力墙分别采用非加劲、槽钢竖向加劲和井字加劲的形式,钢板剪力墙的竖向边缘构件采用方钢管混凝土。得到了联肢钢板剪力墙试件的荷载-位移滞回曲线和破坏形态,对试件的骨架曲线、应力发展、延性及耗能能力等进行了分析。采用有限元软件ABAQUS对试件进行了数值模拟。结果表明:非加劲和槽钢竖向加劲墙板先屈曲后屈服,井字加劲墙板先屈服后屈曲,墙板屈服后连梁与钢板剪力墙边框梁相继屈服。方钢管混凝土柱脚屈服较早,屈服后仍具有良好的承载力和弹塑性变形能力。采用非加劲墙板的试件承载力最低,滞回环捏缩效应最严重,其次是采用槽钢竖向加劲墙板的试件。采用井字加劲墙板的试件滞回环较饱满。井字加劲和槽钢竖向加劲试件的峰值荷载分别比非加劲试件的峰值荷载提高了11.7%和6.9%,井字加劲和槽钢竖向加劲试件的等效黏滞阻尼系数分别比非加劲试件的等效黏滞阻尼系数提高了65.9%和19.9%。各试件的延性系数均大于4.5,表明不同加劲形式的联肢钢板剪力墙均具有良好的延性。数值分析与试验结果吻合较好,可充分地反映试件的滞回性能和破坏过程。加劲肋对连梁和边缘构件的内力影响较小,但可显著提高剪力墙板的抗剪承载力。相较于两片单肢钢板剪力墙,联肢钢板剪力墙的承载力和耗能能力均有大于20%的提高。     

对角槽钢加劲钢板剪力墙抗震性能试验研究

为研究大跨高比的对角槽钢加劲钢板墙结构,该文对3个1/3缩尺的钢板剪力墙试件进行了拟静力试验研究,包括一个拼接式钢板剪力墙和2个拼接式-对角槽钢加劲钢板剪力墙。试验结果表明钢板剪力墙有良好的耗能能力,对角加劲钢板墙滞回曲线饱满呈梭形。槽钢的两个翼缘与钢板连接,形成具有更大抗扭刚度闭口截面,在加载过程中避免了加劲肋的扭转而导致加劲效果降低。对角布置的槽钢加劲肋具有较大的抗弯刚度,在弹性阶段提高钢板的弹性屈曲荷载,限制钢板平面外变形;在弹塑性阶段能起到增大拉力带的作用,提高结构承载力。推导了框架柱的剪力、轴力和弯矩计算公式,结果表明对角槽钢加劲形式对边缘构件的附加轴力和剪力作用较大,因此在设计时应考虑加劲肋的支撑作用。     

高轴压比双层钢板-高强混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究

为研究高轴压比下双层钢板-高强混凝土组合剪力墙的抗震性能, 对4个剪跨比为2.5的试件进行了拟静力加载试验。通过改变约束拉杆和加劲肋的间距, 研究其在往复水平荷载作用下的破坏机理、滞回性能、变形能力以及耗能能力。试验结果表明, 这种剪力墙的破坏形态为墙底部截面钢板被压曲、核心混凝土被压碎的弯曲型破坏;试件的滞回曲线饱满, 没有明显的捏缩现象;位移延性系数在3.11~4.37, 等效粘滞阻尼比在0.158~0.291, 延性系数和耗能指标均满足结构抗震设计要求。在轴压比相同条件下, 设置加劲肋试件的抗震性能优于设置约束拉杆的试件, 随着约束拉杆和加劲肋间距的减小, 试件的变形能力增加, 表现出较好的耗能能力。     

屈曲约束钢板剪力墙边框刚度影响研究

为了考察边框刚度对屈曲约束钢板剪力墙抗震性能的影响,该文将带边框普通钢板剪力墙和屈曲约束钢板剪力墙作为研究对象,采用ABAQUS非线性有限元分析软件,计算边框刚度对构件受力性能的影响。计算结果表明,在水平往复荷载作用下,带边框屈曲约束钢板剪力墙的滞回曲线饱满,等效粘滞阻尼系数较大,边框柱与边框梁对侧向刚度、承载力与塑性耗能均有一定贡献。在1/50层间位移角时,屈曲约束钢板剪力墙边框柱与边框梁的内凹变形均很小,Mises应力均小于普通钢板剪力墙的边缘构件,损伤程度显著降低,说明对边框柱与边框梁抗弯刚度的要求可以显著低于普通钢板剪力墙。屈曲约束钢板墙内嵌钢板的拉力带分布均匀、细密,最大面外变形与损伤程度均小于普通钢板剪力墙。螺栓对盖板面外变形有很大的约束作用,当螺栓间距较小时,混凝土盖板与钢筋的Mises应力显著减小。现行技术标准中对非加劲钢板剪力墙边框刚度的规定,不能很好地适用于屈曲约束钢板剪力墙。     

冷弯薄壁型钢框架-开缝钢板剪力墙力学性能研究

为研究适用于低层和多层冷弯薄壁型钢建筑的冷弯薄壁型钢框架-开缝钢板剪力墙(Cold-formed steel Framed Shear Wall with Slits,简称CFS-WS),该文开展了1面普通CFS-WS和3面加劲CFS-WS的拟静力试验,得到了CFS-WS的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线和耗能能力等力学性能,提出了其抗剪承载力设计值。试验结果表明:CFS-WS加载时依靠竖缝间钢板“扭转-恢复-逆向扭转”和型钢框架变形来共同抵抗水平荷载和耗散能量,试件破坏时钢板撕裂,帽形柱端部屈曲;CFS-WS具有良好的承载力、塑性、延性和耗能能力,但其滞回曲线捏缩现象较为严重;加劲CFS-WS较普通CFS-WS而言,其抗剪刚度、承载能力和耗能能力更高,滞回曲线捏缩现象有所减轻。此外,通过加劲肋连接件将加劲肋和冷弯薄壁型钢梁柱连接成钢框架,可有效提高CFS-WS的前期抗剪刚度、承载力和耗能能力,大大改善结构的抗震性能。     

侧边加劲带缝钢板剪力墙滞回性能研究

带缝钢板剪力墙延性好、耗能能力强,是一种性能优良的新型抗震组件。采用数值模拟对边缘加劲带缝钢板剪力墙的滞回性能进行研究,系统分析了各种特征参数对墙板刚度、承载力及耗能能力等的影响,并在此基础上提出设计建议。分析表明:实现屈曲前屈服是带缝钢板剪力墙兼具高延性和高耗能能力的必要条件;减小缝间墙肢宽度与墙板高度之比,或增大缝间墙肢高度与墙板高度之比,将有利于墙板实现屈曲前屈服;随开缝参数不同,墙板的面外变形形态分为两类;增大肋板刚度比可显著增大发生整体失稳墙板的延性;在保证自身局部屈曲不早于墙板整体屈曲发生的前提下,为方便取材,加劲肋应首选与墙板同厚的钢板。     

钢框架-装配式两边连接薄钢板剪力墙抗震性能试验研究

该文提出了一种适用于装配式高层钢结构的两边连接间断式盖板钢板剪力墙连接节点（DCPC）,分别对一个带DCPC的装配式两边连接钢框架-钢板剪力墙试件（FPSPSW）和一个两边焊接钢框架-钢板剪力墙试件（FWSPSW）进行了低周往复加载试验,研究了两种不同连接形式的钢框架-钢板剪力墙试件的抗震性能,得到了两组试件各自的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线及抗震性能指标等,对比分析了两者的破坏特征、延性性能、耗能能力及刚度退化等力学性能。结果表明:带DCPC的装配式两边连接钢框架-钢板剪力墙具有良好的抗震性能;结构本身符合"强框架弱墙板、强柱弱梁"的抗震设计理念;DCPC节点在不损失抗震性能的基础上,可提供比传统焊接钢板剪力墙结构更好的耗能能力,且保证了良好的震后可修复功能。     

基于节点连接特性的钢板剪力墙结构数值分析

在半刚接框架-钢板剪力墙新型结构体系研究的基础上,采用ANSYS程序分析了不同墙体形式下结构的承载力、应力和变形发展历程,分析对比节点铰接、刚接、半刚接三种连接形式对钢板剪力墙结构承载力的影响。结果表明:设置加劲肋后,结构的屈服荷载提高约20%,极限承载力提高约10%。对于抗弯框架-钢板剪力墙结构,梁柱通过刚性连接与钢板墙组合,为双重抗侧力体系,节点刚接比铰接极限承载力提高约15%左右;节点半刚接和铰接极限承载力比较接近,相差仅在5%左右,为单重抗侧力体系。研究为该新型结构体系的工程应用和理论分析提供依据。     

半刚接钢框架-内填剪力墙结构滞回性能的数值模拟

为了系统研究半刚接钢框架-RC剪力墙结构的滞回性能,编制了非线性有限元程序SRCWNP。对两层单跨半刚接钢框架(柱弱轴)-RC剪力墙结构试验试件的滞回性能进行有限元模拟。分析了RC墙裂缝开展;混凝土压溃过程;结构的内力分配;滞回曲线和破坏模式。模拟结果与试验结果基本吻合。     

普通钢板墙柱型剪切耗能装置抗震性能研究

提出了一种上、下由普通钢板焊接的刚度较大的约束板、中部核心耗能区段由退火热处理后的普通钢板制作的墙柱型剪切耗能装置。完成了不同加劲肋方式的8个足尺试件的拟静力试验,并从滞回曲线、承载力、延性等方面分析耗能装置的抗震性能。研究表明:该装置具有初始刚度大、承载力高和耗能性能优良等特点;改变中间耗能区段上的加劲肋方式和尺寸,有助于改善钢板剪力墙的承载力和刚度,延缓并减轻滞回曲线中的“捏缩效应”;当耗能装置丧失承载力,大多会出现中部耗能区段的局部小区格内钢板疲劳开裂、中部耗能板整体出现面外屈曲失稳、板角焊缝被撕裂等现象。     

部分组合框架-钢板剪力墙边框柱设计方法研究

该文通过对部分组合框架—薄钢板剪力墙结构的试验,发现其内嵌钢板破坏顺序为初始对角屈服、统一屈服和应变硬化三个阶段。引入部分组合柱后,有效改善了传统钢柱的弯扭失稳破坏模式,部分组合框架柱破坏模式为柱顶和柱底形成塑性铰的强度破坏。基于“强框架、弱墙板”的设计理念,该文根据叠加原理确定了统一屈服阶段和应变硬化阶段部分组合柱内力计算原则,提出了适用于部分组合框架-薄钢板剪力墙框架柱的设计方法。通过有限元验证表明:该设计方法能够有效地预测底层受压柱的破坏模式及其塑性铰出现的位置,能够为合理的钢板墙边框柱设计提供理论依据。     

新型双层钢板-混凝土组合剪力墙力学性能研究

提出一种在剪力墙和边缘构件之间设置竖向缝、墙体钢板通过盖板连接件螺旋连接的新型双层钢板-混凝土组合剪力墙,并进行了4个试件的拟静力试验,讨论该新型组合剪力墙的抗震性能,并与未设竖向缝及墙体钢板焊接的同类型试件进行对比。试验结果表明:新型的双层钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能良好,4个试件的屈服位移角平均值为 1/169,极限位移角平均值为1/37;竖向缝对于试件的承载力有所削弱,但对延性和耗能性能有所提高;试件的破坏均表现为墙体底部的弯压破坏,表明通过盖板连接件螺旋连接的措施可保证连接缝应力的有效传递。采用有限元软件ABAQUS建立该新型双层钢板-混凝土组合剪力墙模型并进行分析。基于有限元模型,分析了盖板连接件处螺栓群受力机理,竖向缝对边柱破坏形态影响,以及材料强度、轴压比和剪跨比对该新型剪力墙力学性能的影响。     

内嵌钢板及边缘框架相互作用对带连梁低屈服点钢板剪力墙结构受力性能的影响

为满足快速发展的高层建筑结构对抗震性能及空间灵活性的要求,将高耗能能力、高延性的低屈服点钢材与带连梁钢板剪力墙组合成新型带连梁低屈服点钢板剪力墙结构体系。采用有限元软件ABAQUS建立带连梁钢板剪力墙结构模型,结合国内外已有的典型试验结果验证数值方法的有效性。在此基础上,设计5个不同耦合度的低屈服点钢板剪力墙结构模型进行单调和循环加载,对比分析其损伤机制、承载性能及滞回耗能能力,探讨内嵌钢板与边缘框架的相互作用对结构及构件受力性能的影响,给出设计建议。结果表明:带连梁低屈服点钢板剪力墙结构内嵌钢板与边缘框架相互作用能够有效提高整体结构承载力、承载效率以及耗能能力。综合考虑材料利用率、承载能力及耗能能力,建议连梁耦合度控制在0.45以内。随着连梁耦合度的提高,边缘框架分担剪力多至60%,内部框架柱的轴力显著减小,连梁转角不断减小。因此,在带连梁低屈服点钢板剪力墙结构设计过程中应充分考虑内嵌钢板与边缘框架的相互作用,适当减小内嵌钢板设计厚度及边缘框架截面尺寸,提高材料利用率及设计经济性。同时,与纯框架抗侧性能相比,内嵌钢板与边缘框架的相互作用有效提高了边缘框架的初始抗侧刚度及承载力。     

带自复位耗能支撑钢板剪力墙墙板受力性能研究

提出一种由自复位耗能支撑和两边梁连接墙板组成的带自复位耗能支撑钢板剪力墙,对其构造及滞回性能进行介绍。建立有效的有限元分析模型,对两边梁连接墙板在往复荷载作用下的受力性能、受压承载力及墙板对整体滞回的影响进行研究。结果表明,墙板滞回曲线存在捏缩现象,且墙板内产生的屈曲半波越多,捏缩越严重。墙板的平面外变形随宽高比的增大而增大,随高厚比的增大而减小,且受宽高比影响更大,在侧向力作用下,墙板内形成局部拉力带。建立了用于计算墙板内受压应力和受压承载力的公式,当支撑水平剩余恢复力大于墙板受压承载力时,带自复位耗能支撑钢板剪力墙在支撑恢复力的作用下具有很好的复位能力。     

钢板剪力墙边缘构件的计算方法研究

基于钢框架-钢板剪力墙的理想破坏机制,根据梁、柱塑性铰位置,推导了钢板剪力墙边缘构件的计算公式,给出了钢板剪力墙、梁和柱之间的强度关系。设计了一榀单跨五层钢框架-钢板剪力墙全尺寸分析模型,采用大型通用非线性有限元软件ABAQUS 6.10对其进行了非线性数值分析。结果表明:顶梁能为单侧拉力场提供足够的抗弯承载力,防止顶梁跨中形成塑性铰;各层钢板剪力墙承担的侧向荷载基本相同。表明按上述计算公式确定的边缘构件能够为钢板剪力墙提供足够的锚固强度,有效控制受压柱的塑性铰位置,防止柱中部形成塑性铰,使钢框架-钢板剪力墙实现理想的破坏机制,即“弱板强框架,强柱弱梁”,达到双重抗震设防的目的。     

内嵌屈曲约束钢板剪力墙钢框架的性能参量及计算方法

钢框架延性好,但抗侧承载力和刚度较小,一般可加设钢板墙等抗侧力构件来达到结构的抗侧需求。屈曲约束钢板剪力墙是一种新型抗侧力构件,通过面外约束板的限制,钢板墙在剪力下不会发生屈曲破坏,因此其抗侧刚度、承载力和延性均较大。屈曲约束钢板剪力墙钢框架不但大大提高了原框架的刚度和承载力,同时还具备良好的延性。考虑到加设钢板墙后,框架梁的抗剪刚度与承载力可能不足,该文选取研究的屈曲约束钢板墙除了上下端与框架梁连接外,部分还与框架柱连接。对于这种新型内嵌屈曲约束钢板墙钢框架,该文从理论上详细推导了结构的抗侧刚度、屈服承载力等力学性能参量计算方法,得到了相应的理论公式。通过相关文献的试验数据对比,发现理论计算值与试验值很接近。     

基于钢板屈曲分析的双钢板-混凝土组合剪力墙轴压承载力计算方法

为了考虑钢板屈曲对双钢板-混凝土组合（DSCC）剪力墙的轴压承载力的影响,该文首先以4个组合墙的轴压试验为基础,采用ABAQUS建立DSCC剪力墙的有限元模型。模型中混凝土采用实体单元,钢板采用壳单元,剪力连接件采用非线性弹簧单元SpringA,并考虑了材料非线性和钢板初始缺陷。在验证有限元模型后,研究了不同参数对钢板屈曲的影响,得到了钢板屈曲应力的计算公式。分析结果表明:当钢板出现局部横向贯通屈曲时,破坏模式为屈曲位置的混凝土压碎;当钢板未发生屈曲时,破坏模式为钢板屈服;墙侧面钢板宽度较小时,侧面钢板不会发生屈曲。最后,基于钢板屈曲分析以及构件极限状态下的应力状态分析,提出了新的DSCC剪力墙的轴压承载力计算方法,引入了钢板屈曲的影响。结构表明:对比规范JGJ/T 380―2015采用的计算公式,该文提出的计算方法具有更高的精度和稳定性,可用于DSCC剪力墙的深入研究以及工程设计。     

方钢管混凝土框架-薄钢板剪力墙边框柱刚度研究

钢框架-薄钢板剪力墙竖向边缘构件刚度限值源于经典薄腹梁理论,其仅适用于钢框架,对于方钢管混凝土框架-薄钢板剪力墙,该刚度限值公式不再适用。该文基于薄腹梁理论,提出了方钢管混凝土竖向边缘构件的刚度限值计算公式。构建了不同宽高比和宽厚比分析模型,进行了非线性数值分析,研究了不同柱刚度对方钢管混凝土框架-薄钢板剪力墙力学性能、边框变形和破坏机制的影响。结果表明,按照该文公式设计的方钢管混凝土竖向边缘构件可充分发挥薄钢板剪力墙的结构性能,实现理想的破坏机制。     

板式连接中心支撑钢框架结构推覆试验研究

为研究板式连接中心支撑钢框架结构在水平荷载作用下的承载力、延性、结构影响系数、节点受力模式、屈服机制以及节点处梁柱附加弯矩分布规律,对两榀按1:2.6缩尺的3层中心支撑钢框架进行了静力推覆试验。结果表明支撑失稳后楼层水平刚度明显降低,但由于人字形支撑受拉斜杆的存在,楼层能够维持足够的水平承载力。弹塑性层间侧移角远高于抗震规范要求,具有较大的延性系数和结构影响系数。支撑节点板附近的梁柱上存在附加弯矩,基于弹性极限状态,得到了附加弯矩指数的试验值。支撑端部深入节点板较多时,节点板在支撑失稳后以圆弧塑性铰线形式产生面外转动,仍具有高于支撑的极限承载力和塑性变形能力。结构屈服机制合理,体现为支撑屈曲或屈服在先,节点板屈服和梁柱屈服在后,符合抗震设计要求。