核电工程双钢板混凝土组合剪力墙面内受弯性能研究

开展了核电厂屏蔽厂房双钢板混凝土组合剪力墙的结构形式的10个缩尺试件低周往复拟静力试验,研究了钢板厚度、栓钉间距、竖向荷载以及加劲肋设置等因素对双钢板混凝土组合剪力墙受弯承载力的影响。分析结果表明:钢板厚度、竖向荷载和加劲肋的设置都对剪力墙的受弯承载力有很大的影响,而栓钉间距对其影响不大。采用ABAQUS有限元软件对双钢板混凝土组合剪力墙试件进行了数值模拟,通过比较有限元计算结果和试验结果发现两者在受弯承载力上能够较好吻合,但有限元计算得出的曲线没有明显的下降段。结合试验和有限元数值模拟,提出了双钢板混凝土组合剪力墙受弯承载力的计算公式。研究为以后双钢板混凝土组合剪力墙的设计应用提供理论依据。     

方钢管混凝土框架内置两侧开洞薄钢板剪力墙的抗震性能研究

分别对单跨2层1/3比例的方钢管混凝土框架内置两侧开洞薄钢板剪力墙和未开洞薄钢板剪力墙进行了低周反复荷载试验,对比分析了方钢管混凝土框架内置薄钢板剪力墙的受力机理和破坏机制。采用有限元软件ABAQUS对试验试件进行了非线性数值分析,并将数值分析结果与试验结果进行对比,研究其抗震性能。结果表明:方钢管混凝土框架内置两侧开洞和未开洞薄钢板剪力墙均具有较高的承载力、良好的耗能能力和刚度,破坏机制符合“弱板强框架”的抗震理念,基本达到双重抗震设防目标。利用有限元足尺模型研究了钢板剪力墙开洞率、轴压比对结构抗震性能的影响,结果表明:开洞率的增大使结构承载力和耗能能力减小,但对刚度退化影响较小;轴压比对结构承载力、滞回耗能和刚度退化等影响很小。     

波形钢板剪力墙及组合墙抗剪承载力研究

为研究波形钢板剪力墙及其组合墙在水平荷载作用下的破坏形态、受力性能以及抗剪承载力计算方法,设计了4个波形钢板剪力墙及其组合墙试件,进行了低周往复加载试验,并采用ABAQUS有限元软件对24个波形钢板剪力墙及其组合墙模型进行了模拟分析。研究结果表明:波形钢板剪力墙具有较好的变形能力,波形钢板能有效抑制混凝土裂缝的发展,并与混凝土具有很好的界面粘结力,水平波形钢板剪力墙较易在约束边缘构件底部形成塑性铰;波形钢板剪力墙及其组合墙具有较好的承载能力、延性和耗能能力,且承载力下降缓慢; ABAQUS有限元软件能较好地模拟试验,模拟结果与试验结果吻合较好,有限元计算结果表明:承载力随波形钢板的厚度和波角的增加有少量增加,此外,波形钢板-混凝土组合剪力墙承载力随剪跨比的增加而降低,竖向波形钢板剪力墙的抗侧承载力性能与水平波形钢板剪力墙的基本相同;该文提出的波形钢板剪力墙及其组合墙抗剪承载力计算公式,计算值与试验值吻合良好,可为设计和工程实际参考; H型钢柱对波形钢板-混凝土组合剪力墙的抗剪承载力贡献最小,竖向波形钢板对组合墙剪力分担率大于水平波形钢板的,竖向波形钢板更有利于提升组合墙的承载性能。     

多孔蝴蝶形钢板剪力墙的抗震性能试验研究

为了研究多孔蝴蝶形钢板剪力墙的抗震性能,对4个足尺多孔蝴蝶形钢板剪力墙试件进行了低周反复加载试验。在蝴蝶杆腰宽比控制在0.4的前提下,研究了钢板厚度和开孔率对多孔蝴蝶形钢板剪力墙滞回性能、承载力和耗能性能的影响。试验结果表明:多孔蝴蝶形钢板剪力墙具有良好的抗震性能,是一种较理想的抗侧力构件和耗能构件;多孔蝴蝶形钢板剪力墙的最终破坏模式为钢板最外侧蝴蝶杆端部撕裂;随着钢板墙厚度的增大和钢板开孔率的减小,试件的抗侧刚度及承载力增大,耗能量增多。     

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。     

基于平钢板连接件的钢-RPC组合桥面板抗剪试验研究

该文提出了采用平钢板剪力连接件连接的钢-RPC组合桥面板结构,该结构不仅能解决公路钢桥沥青铺装层的病害,还能有效地提高桥面横向刚度,有助于缓解U肋加劲处应力集中和疲劳开裂现象。为了掌握该组合结构界面抗剪性能,连接件板厚分别取10 mm和4 mm,进行了两组平钢板连接件的推出试验,试验考察了平钢板连接件厚度对抗剪破坏形态及承载力的影响。结果表明:平钢板厚度较小时,表现为平钢板连接件根部受拉屈服;厚度较大时表现为连接件附近混凝土被压碎,工作机理类似于型钢连接件。10 mm板厚连接件相比4 mm板厚抗剪承载力提高了43.6%,抗剪刚度提高了35%,同时延性略有下降,但两组试件的延性系数均大于3.5。最后给出了平钢板连接件的抗剪承载力简化计算公式,计算结果相比试验结果偏于安全,可供设计参考。     

两层带开洞预制剪力墙抗震性能试验研究与数值模拟分析

为研究带窗洞的预制装配式混凝土剪力墙中窗下墙对结构抗震性能的影响,该文对两个带不同高度窗下墙的两层预制剪力墙试件进行了低周反复荷载试验。在此基础上,提出了带窗下墙预制剪力墙结构的精细有限元数值模拟方法,结合试验结果分析揭示了窗下墙对带开洞预制剪力墙抗震性能的影响。试验和数值模拟分析结果表明,两试件在初始受力阶段,窗下墙与下层连梁作为一根整体连梁共同工作,此后二者逐渐脱开,形成两根并列布置的双连梁;两试件的破坏形态均为墙肢根部和双连梁两端形成塑性铰,最终塑性铰区混凝土被压碎;窗下墙较高的试件W-2承载力和初始刚度均大于W-1,延性和耗能能力则小于W-1;预制剪力墙构件中的窗下墙可显著提高该类构件的刚度、承载力和耗能能力,对带窗下墙的预制剪力墙结构进行抗震设计时应对窗下墙予以考虑。     

薄钢板剪力墙结构边框架柱的设计方法研究

现行设计规范将钢板剪力墙结构边框架柱按压弯构件进行设计,并对其截面惯性矩进行了限制,该文首先介绍了钢板剪力墙结构挠曲系数及其边框架柱截面惯性矩限值的推演过程,然后通过理论分析和有限元计算研究了钢板剪力墙结构边框架柱的剪切承载力和面外稳定性,结果表明,边框架柱面内弯曲刚度不足或其剪切承载力不足,会导致钢板剪力墙结构出现“内凹”变形,影响墙板斜向对角拉力带的开展,因此,应按该文建议的方法对边框架柱的剪力设计值进行验算,避免边框架柱剪切屈服;现行设计规范对钢板剪力墙结构边框架柱截面惯性矩的限制,但未对边框架柱的面外稳定性提出要求,因此,应参照该文提供的方法,对钢板剪力墙结构的边框架柱进行面外屈曲的验算,保证其面外稳定性。     

两边连接竖放波折钢板墙内嵌墙板抗侧性能及优化设计EI北大核心CSCD

该文基于有限元数值方法,对仅与框架梁相连的竖放波折钢板剪力墙中内嵌墙板的抗侧性能进行研究,并提出优化设计方法。通过与试验结果的对比,验证了有限元模型及分析方法的可靠性,接着在单向推覆下揭示了波折墙板的“强墙板”和“弱墙板”两种典型抗侧机理,研究了波折墙板参数对其单向推覆抗侧性能的影响。随着宽度的增加,波折墙板的低效抗剪区占比减小,抗侧效率提高;墙板波折角度和厚度的增大,能改善屈曲后承载性能;在其他参数确定的情况下,给出了最优波长的计算式。针对侧边存在低效抗剪区的问题,在墙板两自由边设置加劲构件,并给出起充分加劲作用的界限约束刚度比。加劲构件的引入显著提升了墙板的极限承载力和屈曲后承载性能,对于小宽高比的情况尤为有效。接着,对墙板进行滞回分析发现,由于往复加载下面外累积残余变形的影响,“弱墙板”的骨架曲线相比单向加载时明显下降;而“强墙板”面外变形始终较小,抗侧承载性能稳定。基于滞回分析的大量变参数算例结果,提出了两边连接竖放波折墙板的优化选型建议,为初步设计提供了重要参考。     

小剪跨比钢筋混凝土墙拉剪性能试验研究

强震作用下,高层建筑中部分剪力墙可能出现拉-剪耦合受力的不利状态。该文完成6个大尺寸钢筋混凝土(RC)矮墙拟静力试验,研究了小剪跨比RC墙拉剪受力下的破坏形态、滞回性能、承载力和刚度。试验结果表明:轴拉力水平不同,RC墙试件出现不同的破坏形态,包括:剪切破坏(竖向钢筋平均拉应力水平n_s=0)、剪切-滑移破坏(n_s=0.23~0.63)和滑移破坏(n_s=0.8~1.0);RC墙试件轴心受拉的开裂荷载试验值为理论计算值的0.6倍~0.7倍,轴心受拉的初始刚度和开裂后刚度试验值与理论计算值接近;轴拉力严重影响RC墙的抗侧承载力,当竖向钢筋平均拉应力水平n_s=0.63和n_s=1.0时,试件的承载力分别比无轴拉试件小54%和76%;轴拉力也导致RC墙的等效抗侧刚度降低,当n_s=0.23~0.63时,试件的等效抗侧刚度为无轴拉试件的0.56倍,仅为其初始刚度理论值的1/10。该文建议了拉剪受力RC墙的等效抗侧刚度计算公式,该公式计算值与剪切-滑移破坏试件的试验结果吻合良好。最后,该文对比了各国规范中拉剪承载力计算公式,美国ACI 318-14规范和欧洲Euro Code8规范均低估了小剪跨比RC墙试件的拉剪承载力,试验值与规范公式计算值之比分别为1.90和2.41;而中国JGJ 3―2010规程的RC墙拉剪承载力公式可能安全度不够。     

基于抗剪承载能力设计的多层钢板剪力墙抗震性能试验研究

通过基于剪力墙板“屈服前屈曲”抗剪承载力设计准则设计的钢框架-薄钢板剪力墙原型结构,按1/4缩尺设计的三层试件进行水平低周反复荷载试验,得到了多层薄钢板剪力墙结构在水平荷载作用下的抗侧刚度、结构耗能、水平剪力和倾覆力矩在钢框架与剪力墙板之间的百分比分配、剪力墙板平面外位移及主拉应力的倾角,结果表明:结构的水平抗侧刚度随着荷载加载等级的增加而逐渐减小,但减小的幅度却越来越小;试件的耗能能力很强,结构在最后一级加载循环时消耗了6.7倍的屈服能;各层的耗能量随着加载位移的增加而逐渐变大,二层的耗能量最大,顶层次之,底层最小;在结构处于第1级加载的弹性状态时,剪力墙板承担的水平荷载比例约为60%~65%,钢框架承担的倾覆力矩比例约为80%;剪力墙板的主拉应力倾角变化范围为30°~51°。     

新型带竖向缝隙的矩形钢管排柱剪力墙及其抗侧性能

针对传统薄钢板剪力墙以及带竖缝钢板剪力墙存在的问题,提出了一种新型带竖向缝隙的矩形钢管排柱剪力墙。基于机构控制法,设计了新型剪力墙的典型算例,并进行了弹性屈曲、弹塑性抗侧和滞回性能分析。结果表明:新型剪力墙的一阶弹性屈曲均为钢管壁的局部屈曲,且临界荷载远大于弹塑性极限承载力;新型剪力墙具有优异的弹塑性抗侧性能,延性系数可达20以上;弹塑性滞回性能曲线饱满,耗能能力佳。在此基础上,提出了新型剪力墙的弹性抗侧刚度、屈服荷载和极限抗侧承载力等关键性能参数的计算方法,同时对截面宽厚比、连接焊缝的高度等构造措施提出了要求。     

多块混凝土板拼装组合钢板剪力墙试验与有限元参数影响研究

对竖向拼装组合钢板剪力墙、横向拼装组合钢板剪力墙及传统组合钢板剪力墙开展拟静力试验,对比分析各试件破坏特征、滞回性能、耗能能力、刚度退化及位移延性,采用ABAQUS软件建立数值模型并针对不同拼缝宽度、螺栓距厚比和混凝土板厚度的竖向拼装组合钢板剪力墙进行了参数影响研究。结果表明:混凝土板分块布置会一定程度地降低其耗能能力和抗侧刚度,但可以减少内藏钢板对边缘框架柱产生附加弯矩的不利影响;竖向拼装组合钢板剪力墙是一种抗震性能更为优越的抗侧力构件,竖向拼装组合钢板剪力墙的耗能能力是横向拼装组合钢板剪力墙的1.3倍,且竖向拼装组合钢板剪力墙刚度退化相对缓慢;为保证组合钢板剪力墙具有较好的抗侧能力,螺栓距厚比为100和125时,其拼缝宽度分别不宜大于48 mm和72 mm;混凝土板约束刚度足够情况下,螺栓距厚比不宜大于125。     

框架柱横向撑杆对钢板剪力墙结构作用效应研究

为研究设有横向撑杆的十字形加劲约束构件对钢板剪力墙结构墙板变形的抑制作用,框架梁柱连接衬板的加强效应,以及横向撑杆对框架柱"沙漏"现象的减缓效应,完成了两榀1:3比例单跨3层钢板剪力墙的拟静力试验,探究了两种结构的破坏顺序和破坏模式,对比分析了两者的滞回性能,墙板、框架柱及梁柱节点的变形和受力情况。研究结果表明:设有横向撑杆的十字加劲约束钢板墙较非加劲钢板剪力墙,具有更好的耗能能力,横向撑杆的设置显著改善了钢板和框架的受力性能,提高了墙体的承载力和刚度,有效减少了滞回曲线的"捏缩"现象,降低薄板墙的噪音及震颤。较非加劲钢板剪力墙,设有横向撑杆的十字加劲约束钢板墙结构框架柱的挠曲值变形量降低20%,梁柱节点的转动需求量略小,但节点应力要求大幅度降低。     

带环形阻尼器的装配式高强钢板剪力墙抗震性能研究

钢板剪力墙因具有良好的抗震性能被大量应用到高层建筑和高烈度区域。为解决装配式钢板剪力墙滞回曲线捏缩、平面外屈曲问题,该文提出一种带环形阻尼器的装配式高强钢板剪力墙。针对该装配式高强钢板剪力墙,变化高厚比和钢材牌号对其进行拟静力荷载作用下抗震性能有限元和试验研究,分析破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、耗能性能和延性。研究结果表明：该装配式高强钢板剪力墙内嵌板环形阻尼器和边界连接板带屈服破坏,其他构件完好;滞回曲线饱满,位移延性系数在5.7～8.7,抗震性能良好;提出的抗剪承载力计算公式简单明了、概念明确,与有限元模拟和试验吻合良好。     

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。     

不同改进形式钢板剪力墙滞回性能研究

钢板剪力墙的构造形式能够改善结构破坏模式、提高耗能能力及延性。为了系统全面地对比不同改进构造形式对钢板剪力墙滞回性能的影响,利用通用有限元软件ABAQUS建立非线性有限元数值模型,采用国内外已有拟静力试验,验证数值分析手段能够真实地预测结构的受力行为。通过建立8种不同改进形式的钢板剪力墙模型,对承载性能、滞回性能、退化特性、断裂性能、破坏形态以及耗能能力等问题进行对比分析,探讨不同改进形式钢板剪力墙的延性、平面外变形、拉力场对柱子影响等关键问题,为工程应用提供参考依据。分析结果表明:通过改变结构的构造形式,能够有效改善结构的滞回性能;在高烈度区需要综合考虑抗震性能、延性、破坏形态、建筑要求以及经济指标选取合适的钢板剪力墙改进构造形式;低屈服点钢板剪力墙由于其材料的特殊性,承载效率较高,耗能能力强,延性优势突出,但需要通过一定的措施抑制提早屈曲,提高侧向刚度。