半刚性框架—非加劲及屈曲约束钢板剪力墙结构抗震性能试验与理论研究

发布时间：2018-12-21 20:20

【摘要】：半刚性框架-钢板剪力墙结构融合了半刚性框架和薄钢板剪力墙两种结构的优点，是一种双重设防、延性良好、施工简单、高效利用材料的新型抗震结构体系。传统薄钢板剪力墙结构存在一些使用和受力上的缺陷，主要体现在屈曲噪声大、滞回曲线捏缩严重以及对边框柱产生不利的附加影响等方面。为了克服上述缺点，结合非加劲墙体的受力和面外变形特点，将半刚性框架与无粘结屈曲约束墙结合，形成了一种全新的半刚性框架-屈曲约束钢板剪力墙结构新体系。该种结构改善了钢板的实际受力，有效的阻止钢板的面外变形，提高了结构抗震性能和使用性能，进一步降低了节点区延性和应力要求以及对框架的不利作用，有效规避了传统焊接加劲构件和组合墙板面外约束构件先于整体破坏的情况，并且可调控结构耗能和延性比例，达到延性耗能。二者结合凸显的性能优势使其在地震区具有良好的应用前景。本文系统研究了半刚性框架-非加劲及屈曲约束钢板剪力墙结构体系的内力转换机制、破坏模式和耗能机理；探求了面外约束件刚度对结构整体性能的影响；分析了节点、框架和墙板的相互影响过程；评估了双重抗侧力体系的性能要求。此外，进一步对体系的三个主要组成单元半刚性节点、边框柱和无粘结墙体的性能要求进行了详细讨论，为其设计及应用推广提供依据。论文主要内容和成果如下：（1）进行了两层单跨的1榀半刚性框架-非加劲钢板剪力墙结构和3榀半刚性框架-屈曲约束钢板剪力墙结构的拟静力试验研究，考察不同墙板形式的新结构体系在循环荷载作用下的滞回性能、整体性能、局部响应和破坏模式。从结构体系的耗能、延性、承载力、抗侧刚度、变形、应力分布以及协同工作机理等方面，揭示了两种新型结构体系的内力转换机制和耗能机理。研究表明，屈曲约束墙板对框架的衬板作用明显，可降低半刚性框架对结构整体刚度的弱化作用，提高框架承担侧向荷载的能力，框架剪切变形承担25%左右的水平荷载，剪力墙承担75%左右的水平荷载。（2）系统分析了不同面外约束件刚度对半刚性框架-钢板剪力墙结构的抗侧刚度、承载力和耗能能力的提高幅度；明确了约束件对结构延性、边框刚度、内力转换机制和破坏模式的影响。研究表明，屈曲约束件的设置有效提高了结构的承载力、刚度和耗能能力，减小了结构的声响和颤振以及滞回曲线的捏缩现象。屈曲约束钢板剪力墙结构不仅自身性能优越，而且对周边框架的不利影响作用明显降低，柱的挠曲幅值较非加劲薄板墙降低量超过60%。（3）采用ANSYS软件通过合理简化建立结构有限元模型，解决模型中引入的三大非线性问题，分析了四种结构在循环荷载作用下的抗震性能和结构变形响应，并与试验结果进行对比，结果显示二者吻合良好，其是一种有效的数值分析手段。（4）根据组件法获得了端板半刚接的控制参数，对比了各种弯矩-转角力学模型的适用性。从节点实际的连接特性出发，分析了铰接、半刚接、刚接三种节点连接特性对半刚性框架、半刚性框架-非加劲钢板墙和半刚性框架-屈曲约束钢板墙结构性能的影响。结果表明：内填钢板的设置有效降低了节点区的延性要求和应力响应。半刚性框架结构中，内填非加劲钢板墙结构节点转动量减少超过65%，内填完全屈曲约束钢板墙结构节点转动量减少95%。半刚性框架作为第二道抗震防线，几乎为体系提供全部的抗侧刚度。结构的极限承载力差别与钢板剪力墙边框柱的抗弯刚度有关，当刚度满足要求时，差异取决于节点刚度的不同；当刚度不满足要求时，差异取决于钢板抗侧承载力的发挥程度和框架的超强作用。（5）采用正交试验法，利用单层单跨模型分析了连接特性对双体系性能影响的主要因素。利用单层单跨、4层1跨、4层3跨和4层7跨模型分析双重抗侧力体系的性能要求。研究表明：节点连接特性对体系承载力的影响与双体系抗剪刚度分配比例有关。当刚接框架分配的抗剪刚度小于20%时，连接特性对结构极限承载力的提高小于15%，且满足框架无侧移失稳的要求。此时半刚性框架-钢板剪力墙结构可简化为节点铰接模型分析，框架的抗侧能力作为结构安全储备。（6）采用承载力评价和应力均匀性评价两种方法，对CAN/CSAS16-01规范给出的柱柔度限值小于等于2.5的适用性进行验证，结果表明宽高比较大的试件较难满足要求。本文结合等效负刚度和拉立场机制份额的概念，研究了在轴压和剪切作用下结构边框柱平面内的柱柔度限值要求。同时结合稳定等效的方法给出了半刚性框架-非加劲及屈曲约束钢板墙结构边框柱面内外稳定性的校核方法。研究表明，当考虑框架柱承担竖向荷载时，，建议框架柱轴压比控制在0.3以下，柱柔度限值小于等于2.1，框架柱平面内的稳定性可以得到保证，但平面外的稳定性要重新校核。（7）针对半刚性框架-屈曲约束钢板剪力墙结构，提出一种新型的无粘结约束连接构造措施，并利用试验结果验证其有效性。给出了屈曲约束件的刚度要求和边距要求，分析了连接形式、螺栓排布和肋板排布等因素对结构抗侧及耗能的影响，研究了结构的受力机理，通过调整拉立场机制份额，合理量化屈曲约束程度，获得了耗能和延性协调的最优方式。
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【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU352.11;TU398.2

【参考文献】