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轻型木结构房屋抗震性能研究

程海江  
【摘要】:轻型木结构房屋在我国属于新兴的建筑结构形式,我国迫切需要开展这方面的研究工作。本文以国内首例足尺轻型木结构房屋的振动台试验为研究核心,在钉连接、剪力墙和房屋整体等三个层面利用试验研究和模拟分析两种方法对轻型木结构房屋的抗震性能进行了系统的研究。主要研究内容、方法和结论如下: 1.钉连接的单向和反复荷载试验表明其荷载位移曲线具有高度的非线性、捏缩、强度折减和刚度折减等特性;Fosehi指数型的骨架曲线和Johnn滞回规律组成的恢复力模型能够较准确地反映钉连接的这种特性。 2.通过6片足尺木框架剪力墙试件的单向和反复荷载试验,研究了竖向荷载、翼缘墙体、墙角锚栓和洞口尺寸对剪力墙的性能的影响,研究结果表明竖向荷载可以起到“类似墙角锚栓”的作用,从而较大幅度地提高墙体的抗剪强度、弹性抗侧刚度和滞回耗能;翼缘对于墙体的结构性能有所提高,但幅度不大;门窗洞口会提高墙体的极限位移和耗能。 3.Johnn用户自定义单元中引入了定向耦合弹簧对和多种恢复力模型,能够很好地模拟面板钉连接的各种特性。本文采用ABAQUS软件和Johnn用户自定义单元完成了对三种剪力墙的模拟分析,模拟结果和试验结果吻合得很好。本文提出的采用上述用户单元模拟骨架钉连接的方法,可以较准确地分析侧向荷载作用下端部墙骨柱有上拔的墙体。 4.本文对一个两层轻型木结构足尺房屋模型进行了模拟地震振动台试验,考虑了一层横墙门洞宽度、地震波、地震方向和结构布置不对称等试验参数的变化。试验分为五个阶段,四个不同的状态,共67个工况。在0.2g以下的地震中,模型处于弹性状态,几乎没有可见破坏发生;在0.2g和0.4g的地震试验中,结构逐渐进入非线性状态,模型结构的破坏很轻微或者主要是非结构构件的破坏;在0.55g的地震中,即使经过多次重复地震,并且一层开洞率达到60%,模型结构仍然不会发生倒塌;对称结构在0.1 g、0.2g和0.4g的地震中,模型结构的最大层间位移角约为1/500、1/250和1/80;不对称结构的加速度和位移反应较对称结构强烈,并且存在明显的扭转效应。试验和分析结果表明,与模型结构类似的底层结构布置对称的轻型木结构房屋能够满足我国《建筑抗震设计规范》中的8度抗震设防要求。 5.本文采用自定义非线性弹簧单元和Drain 3D软件建立了房屋整体的三维分析模型,完成了振动台试验房屋模型的非线性动力时程分析,分析结果和实验结果吻合得较好,能够较准确地模拟结构的动力反应和模态特征,适用于进一步对复杂结构的分析。在房屋整体有限元模型中最关键步骤是确定剪力墙等效模型中非线性弹簧的参数,本文对这些参数的确定方法也做了详细的叙述。除此之外,本文也利用该房屋有限元模型研究了石膏板墙体、累积损伤、阻尼比、弹性楼板假定等因素对计算精度的影响。


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