多层冷成型钢组合墙体抗侧试验及简化计算方法研究

发布时间：2018-02-15 12:39

  本文关键词： 多层冷成型钢结构 强边柱冷成型钢组合墙体 抗侧性能 试验研究 数值模拟 简化计算方法　出处：《东南大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：我国建筑业的工业化发展对建筑技术提出了新要求,提高住宅建筑工业化水平是实现绿色建筑、绿色施工的重要途径。冷成型钢房屋住宅结构作为一种新型结构体系,具有轻质高强、环保节能、施工快捷等特点,满足了建筑工业化的要求,在欧美、澳洲和日本等地区已广泛应用于低层住宅。我国对冷成型钢住宅结构体系的研究起步较晚,针对我国人多地少的基本国情,将冷成型钢住宅结构从低层发展到多层更具有现实意义。为此,叶继红教授课题组提出了一种能兼顾结构竖向承载、水平抗侧和抗火等要求的多层冷成型钢住宅结构体系,其主要抗侧部件为以连续方钢管混凝土柱为边柱的冷成型钢组合墙体。本文针对该体系若干关键抗侧问题——梁柱节点真实连接性能、循环荷载作用下单层及多层组合墙体力学行为及其数值模拟手段、组合墙体简化计算方法等方面展开系统试验与理论研究。主要内容与结论如下:1.为了准确计算多层冷成型钢住宅结构体系的实际受力,应在其整体结构的分析和设计中考虑节点真实连接的非线性影响。本文首先针对多层冷成型钢住宅结构体系创新性地设计两类新型梁柱连接节点,通过7个梁柱节点低周反复循环加载试验,对两类新型节点的连接性能进行了对比研究,在此基础上,建立了节点的弯矩-转角关系预测模型以及有限元分析模型,得到以下结论:①在循环荷载作用下,加强环节点的梁柱未发生破坏,而加强块节点的破坏模式为梁截面弹性弯曲破坏,具有一定弯矩传递能力;②两类节点的弯矩-转角曲线均经历了弹性阶段、非线性阶段和最终破坏阶段;相比于加强环节点,加强块节点的连接性能更好,更符合多层冷成型钢住宅结构的要求;③梁翼缘弹性屈曲极限承载力可作为加强块节点的弹性临界点,节点的梁端弯矩由梁截面的弹性抗弯承载力决定;④改进的Richard-Abbott模型能够较好地拟合加强块节点的mr-θr关系曲线,可用于预测不同规格梁截面加强块节点的弯矩-转角关系;基于OpenSees建立的梁柱节点非线性有限元模型能够反映加强块节点的真实连接性能。2.对9片单层强边柱冷成型钢组合墙体进行足尺抗剪试验,试验考察了立柱形式、墙板材料及墙体开洞等因素对墙体抗剪性能的影响,结果表明:①在循环荷载作用下,墙体的破坏模式包括螺钉连接件失效、骨架变形和墙板破坏;方钢管混凝土边柱能有效抑制螺钉倾斜,墙体破坏时边柱螺钉被剪断;②螺钉连接件对墙体的抗剪性能起着主导作用,墙体荷载-位移滞回曲线与传统双拼C型边柱墙体具有相似的捏拢特点;③与传统双拼C型边柱墙体相比,强边柱冷成型钢组合墙体的抗剪强度和抗剪刚度均可提高30%以上;增大立柱厚度可改善墙体延性,而采用双拼C型中柱对墙体抗剪强度提高不明显;④蒸压加气混凝土板(ALC板)组合墙体的抗剪强度低,在ALC板组合墙体的基础上增加一层玻镁板后,组合墙体的抗剪强度提高达58.1%;⑤开洞墙体抗剪承载力随洞口尺寸的增大而减小,且与洞口位置有关。对比开洞墙体抗剪承载力的试验值和规范值发现,AISI规范的开洞组合墙体抗剪承载力计算方法对于本文边柱加强型冷成型钢开洞组合墙体不再适用。为此,本文对强边柱冷成型钢组合墙体的受力机理进行分析,提出了确定开洞墙体抗剪承载力的简化计算方法,计算误差在8%以内。3.在国内率先对多层冷成型钢组合墙体进行低周反复加载试验,通过7片试件直观展现了多层组合墙体的抗侧性能,试验考察了立柱形式、立柱截面大小、层间作用等因素对墙体抗侧性能的影响,结果表明:①水平荷载作用下,试件破坏集中于底层墙体,其破坏模式与单层墙体相似;结构高宽比小于2的双层试件发生剪切型破坏,而对于结构高宽比大于3的三层试件,其破坏类型倾向于弯曲型破坏;②采用方钢管混凝土边柱后,多层墙体的强度和变形能力得到显著提高,且墙体屈服后表现出更好的耗能能力;③方钢管混凝土边柱截面由□89增大至□140后,对于未开洞墙体,其底层弹性刚度可提高约41.5%,且当开洞率不超过20.8%时,墙体上部结构的变形能力几乎没有削弱;④由于上部结构作用,底层墙体的抗剪强度低于相应的单层墙体,且方钢管混凝土边柱截面较小时,试件的抗剪承载力降低幅度较小。此外,结合单层墙体试验结果,对墙体开洞及洞口位置的影响进行对比研究,结果表明,单层开洞墙体抗剪承载力简化计算方法同样适用于中部开洞的多层墙体,且计算精度理想;单层和多层边部开洞墙体的抗剪承载力均可按洞口以外净墙长确定。4.在试验研究的基础上,利用Opensees软件对有限元数值模拟组合墙体力学性能的方法展开研究,得到以下结论:①基于螺钉连接的组合墙体建模方法可以准确得到单层强边柱冷成型钢组合墙体的受剪力学特性,墙体各抗剪性能指标与试验值的最大误差在13%以内;②Pinching4材料本构模型可以准确定义螺钉连接件材性,墙体荷载-位移滞回曲线的捏拢特征能得以充分体现;③建立中部开洞墙体的有限元分析模型时,可将洞口上部墙体简化为线弹性梁,并在梁两端设置水平力弯矩组,以模拟洞口上部墙体与洞口边柱之间的弯矩传递;建立边部开洞墙体的有限元分析模型时,可忽略洞口上部墙体作用,仅对洞口以外的净墙部分建立分析模型;④基于螺钉连接的组合墙体建模方法可有效预测倒三角荷载作用下双层组合墙体的抗侧性能,且计算结果安全可靠;对于顶部集中荷载作用下高宽比较大的多层组合墙体,通过合理简化,建立仅考虑各层墙体周边螺钉连接作用的简化分析模型可得到与试验结果相吻合的墙体抗侧性能。5.为了建立一种既便于数学描述又能全面反映强边柱冷成型钢组合墙体受剪力学特性的理论滞回模型,本文在试验研究的基础上深入研究强边柱冷成型钢组合墙体滞回规律,分两步建立其滞回模型:①采用离散坐标法建立墙体荷载-位移骨架曲线,得到不同加载级下滞回环的控制变形和荷载;②采用分段函数模型建立各控制变形下的滞回环,进而建立墙体的滞回模型,并给出了滞回模型各控制参数的确定方法。最后,根据他人试验结果对本文滞回模型进行验证。结果表明:①影响墙体荷载-位移骨架曲线发展趋势的基本因素为墙体的弹性抗侧移刚度Ke和抗剪承载力Fp;②分段函数滞回模型能全面反映强边柱冷成型钢组合墙体的滞回特性,且模型表达式直观、各参数物理意义明确;③传统BWBN微分模型、EPHM模型、退化四线型Pivot滞回模型以及三段式非线性滑移滞回模型适用于普通双拼C型边柱组合墙体,并局限于低层冷成型钢结构房屋;相比而言,分段函数滞回模型适用于任何构造形式的强边柱冷成型钢组合墙体,更符合多层冷成型钢住宅结构的要求。6.在房屋整体抗震性能研究中,精细化墙体模型会导致计算困难,需对墙体进行简化。本文首先利用Opensees软件对冷成型钢组合墙体的非线性简化计算方法展开研究,结果表明,基于Pinching4本构模型的等效拉压杆简化计算方法能充分体现墙体的受剪力学特性,墙体各抗剪性能指标与试验值的最大误差在17%以内。在此基础上,根据试验结果并结合现有规范,提出多层冷成型钢房屋住宅结构在地震作用下的侧向变形验算指标,并建立首个考虑梁柱节点真实连接性能的多层冷成型钢房屋住宅结构整体计算模型,对其进行抗震计算,得到以下结论:①多层冷成型钢房屋住宅结构在多遇和罕遇地震作用下的层间位移角限值分别取为1/300和1/100是安全可靠的;②抗剪墙体的布置情况对整体结构的抗震性能影响显著,对多层冷成型钢结构进行设计时,不宜采用两个方向刚度差异过大的抗剪墙体组合,同时应重点加强结构沿墙体开洞率较大方向的墙体抗剪强度;③采用强边柱冷成型钢组合墙体的多层冷成型钢结构在9度罕遇地震作用下不会发生倒塌破坏;在特别高烈度地区进行多层冷成型钢房屋住宅结构设计时,应兼顾组合墙体的抗剪强度和墙体边柱的竖向承载能力及其底部连接的可靠性,避免结构因墙体边柱的压屈破坏而导致整体结构失效。
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【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU398.9
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本文编号：1513283