基于摇摆核心提升分层装配式钢框架结构抗震性能的设计方法

利用摇摆核心可控制分层装配式钢框架结构在罕遇地震作用下的失效模式。提出了摇摆核心-分层装配式钢框架结构体系的平面布置形式及连接构造。通过参数化非线性时程分析，对摇摆核心刚度对结构最大位移响应及层间位移分布形式的影响进行了分析，结果表明，摇摆核心可以有效控制结构在地震作用下的层间变形模式，且随着摇摆核心刚度的增大，结构的层间变形也越均匀。提出了可以综合考虑结构最大位移响应及结构层间变形模式的结构抗震性能评价参数及摇摆核心需求刚度计算方法。     

山地掉层框架-摇摆墙结构抗震性能研究

竖向刚度不均匀是山地掉层框架结构的突出特点,其在地震作用下的动力反应特性与普通框架结构存在较大的差异,山地掉层框架结构在地震中易在上接地层出现层屈服破坏机制。为改善该类结构的抗震性能,在山地掉层框架结构外部附加底部铰接、具有一定转动能力的摇摆墙,形成山地掉层框架-摇摆墙结构体系。对3个总层数为七层的掉不同层不同跨的山地掉层框架摇摆墙结构进行动力弹塑性分析结果表明,附加摇摆墙的山地掉层框架结构的基本周期较原结构的相差不大。摇摆墙设置在不同位置的山地掉层框架摇摆墙结构动力反应特性不同。摇摆墙的加入能够均匀结构各层层间变形,有效改善山地掉层框架结构的抗震性能,可避免原薄弱层上接地层的破坏集中现象,实现了整体耗能机制。     

摇摆墙体外加固中小学校框架结构抗震性能分析

采用外加摇摆墙的体外加固方法加固一个不满足抗震要求的四层中小学框架结构,通过对不同加固方案的加固结构进行弹性和弹塑性地震反应分析,研究地震作用下不同加固方案对结构的抗震性能影响,分析结果表明,外加摇摆墙可使原结构各楼层的位移角趋于均匀化,增设摇摆墙之后结构的塑性铰状态相对减缓。     

摇摆架减震框架结构静力弹塑性分析

摇摆架减震框架结构是在原RC框架结构上增设轻型摇摆钢架而成。依据我国抗震规范设计了一栋抗震设防烈度为8度的6层RC框架结构及轻型摇摆钢架,对摇摆架减震框架结构的抗震性能进行了研究。利用Open Sees软件建立RC框架以及轻型摇摆钢架有限元模型,并对该模型进行静力弹塑性分析,分别从荷载-位移曲线、能力谱、性能点和层间位移角四个角度分析了摇摆架减震框架结构的抗震能力。结果表明:摇摆架能够有效分担原结构的基底剪力,在相同的顶点位移下,使原结构的承载力提高37%左右;增设摇摆架对原结构弹性状态下的刚度及周期影响较小,而当结构进入塑性阶段后,该摇摆架可以增加结构刚度并降低结构响应;在7度和8度罕遇地震作用下,原结构产生较大的层间位移角并且出现层屈服机制,利用摇摆架后不仅能够降低结构的响应,而且可以使结构保持在整体屈服机制下。     

基于变形和能量双参数损伤的消能摇摆架-框架结构抗震性能分析

为研究消能摇摆架对钢筋混凝土(RC)框架结构的损伤控制作用及其应用于工程抗震加固的可行性,对一栋五层设计有消能摇摆架-框架的RC混凝土框架结构,与设计有屈曲约束支撑加固的消能减震结构、设计有摇摆墙加固的抗震结构和基础隔震结构进行抗震性能对比,通过分析在近场脉冲地震动、近场无脉冲地震动和远场地震动作用下各结构的位移、耗能情况,计算各结构的楼层损伤指数。分析结果表明:消能摇摆架能够有效抑制RC框架结构层间变形发展,减少结构耗能,降低RC框架结构的损伤,可用于结构的抗震加固。     

装配式摇摆墙-框架结构抗震性能试验研究

为避免罕遇地震作用下传统混凝土摇摆墙的开裂损伤且充分利用装配式结构的便捷性,设计了采用双层钢板混凝土墙的摇摆墙结构体系,在浇筑混凝土时双层钢板可充当摇摆墙构件的外模板。跨越结构上、下层的摇摆墙之间采用高强螺栓连接,摇摆墙在工厂预制后运到施工现场进行安装。选用金属阻尼器作为耗能连接件连接摇摆墙与主体框架结构,同时传递层剪力并耗散地震能量。为研究该装配式摇摆墙-框架结构的抗震性能,设计并制作了一个纯框架和两个摇摆墙-框架,其中两个摇摆墙-框架的区别在于金属阻尼器的安装位置不同。通过拟静力试验分析了其破坏模式及抗震性能。试验结果表明：预制装配式摇摆墙与主体框架结构协同工作性能良好,金属阻尼器耗能效果得到充分利用,结构承载力、耗能能力大幅增加;在水平位移较大时摇摆墙竖向发生刚体位移,对整体结构的抗震性能产生一定影响,后续将采用附加预应力的形式减轻摇摆墙竖向抬升的影响。     

Experimental study on seismic performance of prefabricated rocking wall frame structure

为避免罕遇地震作用下传统混凝土摇摆墙的开裂损伤且充分利用装配式结构的便捷性，设计了采用双层钢板混凝土墙的摇摆墙结构体系，在浇筑混凝土时双层钢板可充当摇摆墙构件的外模板。跨越结构上、下层的摇摆墙之间采用高强螺栓连接，摇摆墙在工厂预制后运到施工现场进行安装。选用金属阻尼器作为耗能连接件连接摇摆墙与主体框架结构，同时传递层剪力并耗散地震能量。为研究该装配式摇摆墙-框架结构的抗震性能，设计并制作了一个纯框架和两个摇摆墙-框架，其中两个摇摆墙-框架的区别在于金属阻尼器的安装位置不同。通过拟静力试验分析了其破坏模式及抗震性能。试验结果表明：预制装配式摇摆墙与主体框架结构协同工作性能良好，金属阻尼器耗能效果得到充分利用，结构承载力、耗能能力大幅增加；在水平位移较大时摇摆墙竖向发生刚体位移，对整体结构的抗震性能产生一定影响，后续将采用附加预应力的形式减轻摇摆墙竖向抬升的影响。     

混凝土框架摇摆墙结构体系的抗震性能分析

为研究框架摇摆墙结构体系的抗震性能,以1个6层混凝土框架结构模型为例,利用通用有限元软件SAP2000建立了该结构的简化模型,并通过弹塑性动力时程分析,得到了附加摇摆墙前后结构的地震响应。分析结果表明:附加摇摆墙后,结构以摆动振型振动,各层的层间位移角趋于一致,结构层间变形的集中得到有效控制,从而使结构形成整体屈服破坏机制,防止局部层屈服破坏机制的产生,充分发挥整个结构的耗能能力;附加摇摆墙后,结构周期略有减小,不会显著增加结构基底剪力,即使仅附加高度为结构总高度一半的摇摆墙,也能有效控制结构底层的变形集中;该框架摇摆墙结构体系具有良好的抗震性能。     

填充抗震墙加固既有框架结构的抗震性能分析

为了研究在既有框架结构底部加填充抗震墙这一加固形式的抗震性能,结合以往试验研究,本文在不改变原有框架抗震等级的情况下,使用有限元分析软件SAP2000,通过模态分析、反应谱分析、动力时程分析,分析在既有框架结构底部加填充抗震墙对提高结构抗震能力的作用,探讨加固的最优方案,并分析罕遇地震下框架结构加固前后塑性铰的变化情况。通过研究发现:在框架结构底部两层由下而上递减布置抗震墙的形式对提高底部存在薄弱层的框架结构抗震性能的效果明显;能够有效减小结构在地震作用下的层间位移,减少结构在罕遇地震下塑性铰的产生和发展,是一种经济可行的加固方法。     

内嵌式摇摆墙刚度对框架结构抗震性能的影响

研究了内嵌式摇摆墙刚度对框架摇摆墙抗震性能的影响,建立了一个6层钢筋混凝土框架结构模型,应用有限元软件SAP2000对附加不同刚度的内嵌式框架摇摆墙结构进行了静力非线性分析,分析结果表明,摇摆墙刚度的不同对框架结构的损伤机制,变形模式有着一定的影响。     

水平加劲钢板剪力墙承载性能试验研究

加劲钢板剪力墙结构是一种适合工业化生产的新型抗侧力构件。为考察水平加劲钢板剪力墙的受力性能,分别对两榀1/3水平加劲模型试件进行推覆和低周反复荷载试验,研究水平加劲钢板剪力墙的变形性能,分析结构滞回性能、刚度退化、延性和耗能能力等。研究结果表明:水平加劲钢板剪力墙的抗侧刚度较高、耗能能力好、延性系数大于3、承载力退化缓慢。钢板剪力墙水平加劲肋门槛刚度的确定应基于钢板剪力墙弹塑性分析。     

设置碟形弹簧的框架-摇摆墙结构抗震性能试验研究

受控摇摆墙通常采用预应力筋的形式实现，预应力筋基础锚固施工困难，墙体摇摆幅度很小且易与基础发生碰撞。为解决上述问题，研发了一种受控摇摆墙，主要通过基于碟形弹簧的装置实现墙体的受控约束，墙体与主体框架、基础分别采用耗能连接件和V形支撑连接。设计制作了缩尺比为1∶2的对比框架与框架-摇摆墙试件，通过低周往复加载试验研究其抗震性能、破坏模式和自复位特性。结果表明，设置碟形弹簧的框架-摇摆墙较对比框架承载力提高了107.1%，且具有更好的刚度退化性能与耗能性能，框架结构的变形模式得到改善，使得各层的层间位移趋于均匀。连接件是影响框架-摇摆墙结构耗能及协调层间变形的关键，应进一步研究其改进措施及优化设计。     

钢板焊接连接的带水平接缝装配式RC剪力墙抗震性能试验研究

为了研究采用钢板焊接连接的带水平接缝预制装配式钢筋混凝土剪力墙的抗震性能,设计了4个装配式钢筋混凝土剪力墙足尺试件并进行低周往复水平荷载试验,研究参数包括连接钢板厚度、侧向钢板设置和轴压比。结果表明：各试件均为压弯破坏,水平承载力在186~288kN之间,极限位移在25.74~29.37mm之间,滞回曲线为饱满的弓形,延性和耗能能力较好,刚度退化较慢;在连接钢板满足强度要求前提下,增大连接钢板厚度、增加侧向钢板对剪力墙的延性、刚度、承载能力和耗能能力影响较小;提高轴压比可以明显提高装配式剪力墙的刚度和承载能力,但会降低其耗能能力。采用ABAQUS有限元软件对装配式剪力墙抗震性能进行分析,所建立的有限元模型可以较好地模拟装配式剪力墙的受力性能。通过对比采用规范公式计算的承载力与试验承载力,表明可以采用JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中的公式计算文中装配式剪力墙的承载力,并给出了连接钢板的计算方法。     

双波形钢板剪力墙滞回性能研究

为研究双波形钢板剪力墙的滞回性能,利用有限元软件ABAQUS分别建立单波形钢板剪力墙与双波形钢板剪力墙的有限元模型,对2种波形钢板剪力墙在低周往复荷载作用下的受力机制及滞回性能进行对比分析,研究了内嵌波形钢板的设计参数对双波形钢板剪力墙滞回性能的影响规律,给出了波形钢板设计参数的取值建议。结果表明:与单波形钢板剪力墙相比,双波形钢板剪力墙的抗侧刚度、承载能力及耗能能力均提高,但其延性有一定程度的降低; 内嵌波形钢板的厚度与波形几何尺寸是影响双波形钢板剪力墙滞回性能的关键参数,随着厚度的增大,双波形钢板剪力墙的抗侧刚度、承载能力、耗能能力及延性均提高; 随着波长的增加,双波形钢板剪力墙的抗侧刚度提高,但承载能力及耗能能力降低; 随着波幅的增加,双波形钢板剪力墙的抗侧刚度降低,但承载能力及耗能能力均提高。     

消能摇摆高位隔震结构体系的地震反应特性

双段消能摇摆结构体系是通过两段串联的摇摆结构,控制主体结构各楼层在地震作用下均匀变形,抑制薄弱层的产生,也降低了主体结构对于摇摆结构的刚度需求。在变形集中的摇摆结构底部布设位移型阻尼器,可进一步提高结构的抗震性能。但是该体系存在承载力较低、上段结构地震反应相对较大的不足。基于此,提出了消能摇摆高位隔震结构体系,即在双段消能摇摆结构体系的分段楼层位置增设劲性支撑,以抑制上段结构的摇摆运动,提高结构的刚度与承载力;同时,下段结构允许发生摇摆,发挥高位隔震层的作用。以消能摇摆高位隔震结构体系为研究对象,分析对比了其他三种结构体系：传统支撑框架结构体系、双段消能摇摆结构体系、不含位移型阻尼器的摇摆高位隔震结构体系。采用OpenSees软件建立了弹塑性有限元分析模型,对四种结构体系进行弹塑性抗震分析和增量动力时程分析。研究表明,消能摇摆高位隔震结构体系的刚度与承载力较高,地震反应较小,抗震性能与抗倒塌性能良好。在摇摆结构分段位置加设劲性支撑层,可以抑制上段结构在地震作用下的变形,并发挥下段摇摆结构的隔震作用。布设于分段位置与摇摆结构底部的阻尼器,可以充分消耗地震能量,提高结构体系的抗震性能。     

超薄加劲钢板剪力墙受剪性能试验研究及数值分析

对于超薄加劲钢板剪力墙,由于钢板超薄,采用传统焊接工艺将导致严重的焊接变形,故需要采用改进焊接工艺,即将钢板墙在加劲肋处断开,进行弯折组合后焊接并形成加劲肋。为研究采用改进焊接工艺完成的超薄加劲钢板剪力墙的受剪性能,进行了足尺试件的受剪性能试验,研究了钢板墙的受剪破坏形态、滞回特性、承载能力及耗能能力等,验证了在竖向加劲肋位置采用的改进连接构造及焊缝工艺满足受剪承载力要求,并对不同钢柱截面、不同墙宽高比对钢板墙受剪性能的影响进行了对比分析。结果表明：采用改进工艺的钢板剪力墙满足受剪承载力要求且具有稳定的耗能能力,随着钢柱截面积增大,钢板墙的侧移刚度、峰值荷载均有所增加,相应的极限位移、耗能能力有所下降;随着墙宽高比减小,钢板墙的侧移刚度、屈服荷载、峰值荷载均相应降低,相应的极限位移、耗能能力有所提高。采用通用有限元分析软件ANSYS对超薄加劲钢板剪力墙的受剪性能试验进行了数值模拟,有限元结果与试验结果总体吻合良好,有限元分析可以很好地模拟超薄加劲钢板剪力墙的全受力过程和破坏模式。     

预应力预制混凝土剪力墙抗震性能试验研究

通过后张拉高强无黏结预应力筋将分段预制墙板拼装成整体预应力预制混凝土剪力墙,剪力墙根部靠近中间位置布置若干普通钢筋以增加墙体耗能性。为比较该类剪力墙与现浇混凝土剪力墙的抗震性能,进行了3片预应力预制混凝土剪力墙和1片现浇混凝土剪力墙的拟静力试验,研究墙体的破坏过程及破坏形态、滞回及骨架曲线、位移延性、耗能能力、刚度退化、残余位移等。结果表明：预应力预制混凝土剪力墙的非线性变形集中在墙根部接缝处,导致墙体本身的损伤较小;预应力筋可提供恢复力,能有效减小残余变形;由于耗能钢筋的锚固失效,预制混凝土剪力墙的滞回曲线不如现浇混凝土剪力墙试件饱满;刚度退化早于现浇墙体,但下降段曲线较现浇墙体平缓,其刚度退化较现浇墙体缓慢;锚固失效是由耗能钢筋过密布置导致。     

Tall building with steel plate shear walls subject to load reversal

This paper presents a state‐of‐the‐art review of research on thin unstiffened steel plate shear walls including recent research advances, in addition to a case study building that used them as the primary lateral‐force‐resisting system. Thin unstiffened steel plate shear walls are becoming an attractive alternative to traditional lateral‐force‐resistance systems because they exhibit desirable structural properties. A properly designed steel plate shear wall will have considerable energy dissipation capacity, ductility, initial stiffness and ultimate strength. Furthermore, the said walls are efficient in terms of cost and space due to their light weight, ease of construction and small footprint. The case study building is a 55‐story high‐rise system that took advantage of these properties. Details are presented regarding the design process and tools that were used to ensure a safe and efficient structure. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.