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《北京工业大学》 2017年
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核电工程双钢板混凝土组合剪力墙抗震性能研究

李晓虎  
【摘要】:双钢板混凝土组合剪力墙是由外层钢板和内部核心混凝土组成的组合结构,此种结构是一种新型的抗侧力构件。双钢板混凝土组合结构由于其良好的受力性能和抗冲击能力以及模块化施工的高效率施工方法,在我国CAP1400核电工程的核岛屏蔽厂房中得到应用。为了确保核电工程的地震安全性,核岛结构中双钢板混凝土组合剪力墙的抗震安全性能如何成为核电工程中必须研究的关键问题。核岛结构中双钢板混凝土组合剪力墙与民用建筑中的不同,其混凝土厚度巨大,一般为1m左右,因此钢板与混凝土厚度比相对小很多。对于一般钢板混凝土组合结构的研究成果很多,但对于核岛中的这由特殊钢板混凝土组合结构,其抗震性能如何需进一步研究。然而,目前国际上其研究较少,更未形成相应的结构设计规范。本文以核电工程屏蔽厂房的双钢板混凝土组合剪力墙为具体研究对象,通过开展基本构件的试验研究了双钢板混凝土组合剪力墙在面内和面外低周往复荷载作用下的受力特点、破坏特征、滞回曲线、抗侧刚度以及钢板的屈曲等抗震性能。在试验研究的基础上采用ABAQUS有限元软件建立了试验构件的数值模型,通过与试验结果的比较验证了数值模型的正确性,并开展数值模拟分析了核岛结构双钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能,提出了其抗震性能参数计算公式。本文的主要工作和研究成果如下:(1)设计制作了9个双钢板混凝土组合剪力墙试件和1个钢筋混凝土剪力墙试件,对试件进行了面内荷载作用下的低周往复试验,研究了双钢板混凝土组合剪力墙试件的受力性能和破坏机理。具体分析了栓钉间距、钢板厚度、竖向荷载、加劲肋设置等对剪力墙试件抗震性能的影响,研究了剪力墙试件在往复荷载作用下的滞回曲线、刚度退化、耗能能力等抗震性能的变化规律。试验结果研究表明:双钢板混凝土组合剪力墙明显比钢筋混凝土剪力墙拥有更好的延性和抗震性能;栓钉间距的变化对试件的抗侧刚度和承载力影响不大,钢板厚度的增加在很大程度上提高了剪力墙的耗能能力,竖向荷载在一定范围内的增加可以提高剪力墙的极限承载力,加劲肋的设置能够提高剪力墙的抗侧刚度和承载力;在试验研究的基础上,通过对双钢板混凝土组合剪力墙试件模型进行简化和计算假定,给出了剪力墙在面内低周往复荷载作用下的受弯承载力计算公式。(2)制作了5个双钢板混凝土组合剪力墙试件和1个钢筋混凝土剪力墙试件,对试件进行了面外荷载作用下的低周往复试验,研究了双钢板混凝土组合剪力墙的受力过程和破坏模式、抗侧刚度、耗能能力等抗震性能。具体分析了钢板厚度、竖向荷载、混凝土强度等因素对双钢板混凝土组合剪力墙抗震性能的影响。研究结果表明:极限承载力都随竖向荷载的增大有明显提高,混凝土强度等级在一定范围内的提高对试件抗侧刚度没有明显影响,试件抗侧刚度和剪力墙试件的承载力都随着钢板厚度的增加而有所提高。在试验结果和理论分析的基础上提出了双钢板混凝土组合剪力墙的混凝土开裂荷载和受弯承载力的计算公式。(3)采用ABAQUS有限元软件分别建立了面内和面外荷载作用下的双钢板混凝土组合剪力墙试件的数值模型。采用实体单元对钢板和混凝土进行了模拟,采用弹簧单元模拟栓钉的抗剪连接行为。考虑钢板和混凝土之间的相互作用,采用库伦摩擦和硬接触分别模拟两者在切向和法向的接触。通过数值分析分别研究了面内和面外荷载作用下双钢板混凝土组合剪力墙的受力过程、破坏模式以及试件的极限承载力等,通过与试验结果的比较发现,数值模拟的结果和试验结果比较一致。并对两者之间的差异进行了分析说明。(4)通过试验和有限元模型数值分析,分别研究了双钢板混凝土组合剪力墙中的钢板在面内和面外低周往复荷载下的屈曲行为。结果表明:面内荷载作用下剪力墙的钢板发生屈曲的位置位于剪力墙底部,并且钢板在往复荷载作用下的屈曲应变小于钢板的屈服应变。采用拐点法分析了钢板发生屈曲时的水平荷载,并与试件的极限荷载进行比较,可以看出钢板发生屈曲的荷载小于试件的极限荷载。通过比较试验和有限元分析的钢板屈曲荷载-应变曲线发现,两者出现拐点的位置比较接近,说明有限元分析的结果能够反映钢板屈曲的受力状态。
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TU398.2;TU352.11

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