钢框架—预制混凝土抗侧力墙装配式结构体系受力性能研究

发布时间：2018-03-07 12:34

本文选题：钢框架　切入点：预制混凝土抗侧力墙体　出处：《长安大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：发展预制装配式建筑是实现建筑节能减排和建筑产业化的有效途径，钢结构最大优点是可实现预制装配化，其中钢框架的应用最为广泛，但其抗侧刚度小，工程界常通过增设内填式墙体来提高结构的抗侧刚度，传统的抗侧力墙体存在构造复杂、装配化施工不便、维护成本高等缺点。为实现抗侧力墙体的预制装配化，降低墙体的承担竖向荷载，同时考虑楼板钢筋穿越问题和解决建筑开门窗洞口的需求，提出了一种新型钢框架—预制混凝土抗侧力墙装配式结构体系(Steel Frame-Prefabricated Concrete Lateral Resistance Wall FabricatedStructural System)（简称SPW体系），本文通过试验研究和理论分析对SPW体系的受力性能和计算理论进行了系统的研究，主要研究内容如下：（1）研发SPW体系并开展足尺模型试验研究设计和制作了4榀由钢框架与型钢混凝土抗侧力墙、钢筋混凝土抗侧力墙组成的单层单跨足尺模型，，对其进行水平低周反复加载试验。对水平荷载作用下结构体系的破坏形式、承载能力、刚度退化、滞回特性、延性及耗能性能进行系统分析，得到墙体的破坏机理、框架与抗侧力墙体的传力路径以及内力分配关系。在试验研究的基础上，对SPW体系的抗震性态水平及性能指标的量化进行探索研究，总结分析结构的破坏顺序和破坏形态，提出五个性能水平的失效判别标准，并给出不同性能水平对应的侧移角限值建议。（2）揭示SPW体系受力性能的影响因素 1)分析了抗侧力墙体与框架梁连接界面处的受力特性，对连接界面的抗剪栓钉、锚筋和型钢承担剪力和弯矩作用进行定性、定量分析，得到其分布规律；并对试验模型中的连接件类型提出改进措施，以保证抗侧力墙体与框架梁连接的可靠性。 2)从弹性刚度、承载能力、滞回曲线、水平剪力和倾覆弯矩的分配关系、塑性耗能等方面，考察框架柱刚度、约束梁刚度、墙体高宽比、墙体边缘构件的含钢率等因素对结构体系协同受力性能的影响，得到各因素的影响规律。（3）建立SPW体系的计算理论 1)建立结构层间抗侧刚度的计算模型，分别推导考虑梁约束效应的墙体和框架柱抗侧刚度计算公式，通过试验数据验证公式的合理性。并将抗侧力墙体简化为“交叉撑杆+竖向杆”的杆系模型，推导刚度等量代换关系，弹性阶段，结构体系可等代为杆系模型进行的内力分析和变形计算。 2)基于连续化的方法，建立钢框架、约束梁和抗侧力墙体协同工作微分方程，提出为反映结构侧向刚度的重要参数λ，求解结构体系在三种典型水平荷载下的内力、位移计算方法。 3)根据结构体系的破坏形态，提出不同破坏形态的受剪承载力分析模型和计算简图，建立受剪承载力的计算公式，通过试验数据验证公式的可靠性。（4）提出SPW体系合理刚度比的优化设计方法和设计建议 1)以反应谱理论为基础，建立以基底地震剪力为目标函数，最大层间位移角为约束条件的数学优化模型，采用MATLAB高级语言编写优化程序，对钢框架、约束梁和抗侧力墙体的合理刚度比进行优化分析；并对刚度参数λ的影响因素进行分析，并以表格的形式给出不同抗震设防烈度下的特征周期Tg、刚重比η与λ最优值的关系，可供设计参考。 2)以弹塑性层间位移的控制为基础，设计了45个钢框架、约束梁和抗侧力墙体不同刚度比的数值模型，其弹性抗侧刚度保持一致，采用弹塑性时程分析的方法，统计得出弹塑性层间位移随刚度参数λ的变化规律，研究表明：①当刚度参数λ为定值情况下，框架刚度CF与约束梁刚度CB的比值对各楼层的层间侧移峰值影响不大；②最大弹塑性层间位移δmax与刚度参数λ有关，在2≤λ≤3之间时，δmax存在最小值点，在此基础上提出刚度参数λ最优值的设计建议。本文的研究工作，论证了新型钢框架—预制混凝土抗侧力墙装配式混合结构体系的可行性和合理性，并为实际工程应用提供了试验依据和理论指导。最后，对需进一步研究的课题进行了讨论。
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【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU398.9;TU311

【参考文献】