双向蝴蝶形钢板剪力墙耗能器的试验和模拟研究

发布时间：2020-06-05 18:14

【摘要】：两边连接开缝钢板剪力墙仅与框架梁相连,避免了钢板墙受力过程中对框架柱的不利影响;同时开缝改变了钢板的受力性能,将钢板的剪切变形转变为耗能段的弯曲变形。这种设计虽牺牲了部分承载力和刚度,但具有较好的耗能和延性,且可以通过调节耗能段的参数调整钢板的承载力和刚度。本文针对两边连接开缝钢板剪力墙耗能段材料利用率低、耗能段端部存在应力集中、不合理的设计会使试件过早发生整体面外失稳、耗能段在加载后期产生面外失稳导致滞回曲线捏缩等问题,研究一种作为耗能器使用的新型双向蝴蝶形钢板剪力墙,并通过试验和数值模拟分析了该钢板剪力墙的抗震性能及相关参数对其性能的影响规律。论文主要进行了如下工作:1)进行了4榀足尺试件的低周循环荷载试验,研究了不同构造双向蝴蝶形钢板剪力墙的抗震性能,重点分析了各试件的滞回性能、承载力、延性、抗侧刚度和耗能能力。试验结果表明:新型双向蝴蝶形钢板剪力墙通过带槽钢约束的竖向蝴蝶板承担大部分水平荷载,横向蝴蝶杆主要耗散能量,实现了对钢板墙作为耗能器的设计要求;各试件滞回曲线饱满稳定,耗能优异,且具有较大的承载力与初始刚度;试验后期因受倾覆弯矩作用,钢板端部边缘出现局部屈曲并挤压槽钢导致承载力下降,但试验结束前未出现承载力大幅下降现象,因此试件具有良好的延性。2)采用有限元软件Abaqus对3个试验试件建立精细化非线性模型,与相应试验结果进行对比,分析其变形、滞回曲线和骨架曲线等。研究表明:数值模拟得到的滞回曲线虽略大于试验结果,但滞回形状基本一致,且数值模拟较准确地追踪了钢板的应力状态、整体变形以及横向蝴蝶杆的局部变形,因此,可以利用Abaqus对此类钢板剪力墙进行数值分析。3)进行有限元参数模拟分析,着重研究竖向蝴蝶板和横向蝴蝶杆参数对钢板抗震性能的影响。结果表明:竖向蝴蝶板数量m和其蝴蝶形端部高度l与厚度t的比值β共同影响钢板墙承载力,且增大m和β,钢板承载力随之增加;横向蝴蝶杆行数n和其宽度b与厚度t的比值α对着钢板墙的耗能能力具有显著影响,且随着横向蝴蝶干数目增加,试件滞回曲线愈加饱满,总耗能量也随之提高,而当其他参数一定仅增加宽厚比时,尽管相应试件加载前期耗能性能优异,但加载后期过大的面外变形却制约其耗能能力。
【图文】：

滞回曲线,钢板剪力墙,滞回模型

纯对角拉力理论。纪 50 年代末，Kuhn 等[22-23]假定不能忽略钢板的剪切屈服承载在纯剪和对角拉力作用，提出了非完全对角拉力理论。24]考虑到梁翼缘抗弯刚度较弱，认为其对腹板的影响可忽略不计的基础上提出了非完全对角拉力模型，并给出了薄腹板梁腹算方法。Skalound[25]、Porter[26]和 Calladine[27]等学者则考虑了翼中分别给出了相应的理论公式。年， Takallahi[28]等人首次采用试验手段研究加劲钢板剪力墙的以及单层双跨钢板墙在循环荷载作用下的试验。试验结果间接强度，，同时在试验中还可以发现，加劲钢板墙不存在滞回曲线钢板墙具备更好的滞回性能。年，Mimura 和 Akiyama[29]在假定钢板剪力墙的承载力由角度为架节点提供的抗弯能力共同承担的基础上，提出了其承载力的试验验证了该简化模型的准确性，同时首次提出了如图 1-4 所

环形孔,钢板剪力墙,钢板

Nateghi 和 Alavi[44]对 3 个设置了对角加劲肋和 1 个非加劲钢板墙的 1:2 缩尺单跨钢板剪力墙试件进行了拟静力的循环加载试验。试验结果显示：通过设置加劲肋使钢板墙的屈曲波长降低了 1/2，具有较小的面外变形，同时其弹性屈曲剪应力提高了 3 倍，钢板墙的滞回性能得的改善。2014 年，Driver 和 Moghimi[45]基于性能的设计方法对开圆孔钢板墙的适用性进行了新的研究，认为可以通过调节圆孔直径和间距满足不同的侧向承载力要求。利用有限元软件针对圆孔直径和间距进行了参数分析，结果表明：1）开孔率越大，钢板的抗侧承载力越低，边框架所受内力也越大。2）钢板性能受开圆孔形式的影响较大，当稍微改变圆孔直径和间距时，边框架附加弯矩变化很明显。同年，Eatherton 等[46]出于减小钢板墙面外屈曲变形的目的，设计了如图 1-5 所示的新型开环孔形钢板墙。从图中可以看出，通过切割使钢板墙由多个环形组成，且每个环之间通过对角连接带相连，这样设计是为了使圆环在钢板侧移中变形为椭圆从而减小钢板整体的面外屈曲变形。Eatherton 等还进行了一系列此类钢板的试验，试验结果显示，由于圆环独特的变形特征，钢板呈现出良好的抗震性能且同传统的薄钢板墙相比弹性刚度有所提高。
【学位授予单位】：苏州科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU398.2

【参考文献】