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低屈服点钢板剪力墙结构抗震性能评估

唐柏杰  
【摘要】:低屈服点钢材作为一种新型材料,具有优越的伸长率和低屈强比,在钢板剪力墙、阻尼器等消能减震结构中得到了越来越多的应用和发展。本文基于屈服强度为100MPa的钢材,通过两种不同的设计方法设计了6个低屈服点钢板剪力墙结构案例。采用有限元模拟和试验相结合的方法对该结构进行了多方面的研究。主要研究工作及成果如下:(1)加工设计了3组低屈服点钢材的试样,对其主要力学性能进行了测试,得出了其本构关系并与普通钢材进行了对比。结果表明:低屈服点钢没有显著的屈服平台,其伸长率是普通钢材的2-3倍,拥有较低屈强比,并且具有后屈服阶段显著的应变硬化性能。(2)通过计算分析和有限元数值模拟设计了一榀单跨单层的低屈服点钢板剪力墙试验模型,在结构试验室进行了水平低周循环往复加载试验,分析了试验构件的抗侧刚度、延性、极限承载力,耗能以及剪力墙板的变形和应力分布等特点。结果表明:试件结构整体的滞回曲线饱满,延性和耗能能力出色;试件在屈服后位移加载到较大倍数的屈服位移时,结构仍具有很高的强度。(3)采用压剪机对一榀单层低屈服点钢板剪力墙进行竖向加载,研究低屈服点钢板剪力墙结构在竖向荷载下的墙板变形等特点,作为低屈服点钢板剪力墙结构的探索性研究试验。(4)根据ANSYS有限元软件利用全壳单元以及SAP2000非线性分层壳单元模拟了循环往复荷载作用下的低屈服点钢板剪力墙试验。通过对比试验结果,验证了有限元分析模型的正确性,为利用有限元数值分析研究低屈服点钢板剪力墙体系的抗震评估提供依据。结果表明:两种有限元方法都能较好地模拟试件的整体性能曲线。(5)根据我国《建筑抗震设计规范》GB50011-2010和《高层民用建筑钢结构技术规范》JGJ99-98中规定的各构件相关抗震要求,按照抗剪承载力设计了10层、15层、20层、25层的三跨低屈服点钢板剪力墙模型;按照低屈服点钢板剪力墙“屈曲前屈服”理论设计了10层、20层的三跨低屈服点钢板剪力墙模型,并给出了低屈服点钢板剪力墙结构体系详细的抗震设计过程。同时,对比了两种设计方法设计的结构案例的构件应力比、水平地震力和倾覆力矩分配情况。结果表明:在水平地震力分配和倾覆力矩分配方面,“屈曲前屈服”理论设计的墙板更具有优势。(6)利用增量动力分析(IDA)法对所设计的低屈服点钢板剪力墙结构体系的抗震性能进行了评估。利用SAP2000有限元分析软件建立非线性分层壳单元模型,通过多条天然地震波和多条人工地震波数据对结构模型进行了不同地震强度等级下的非线性动力时程分析,描述了结构的破坏过程,评估了结构在小震、中震和大震作用下各自的抗震性能。结果表明:设计的结构满足规范要求,且符合双重抗侧体系“二道防线”的标准。(7)根据《建筑抗震设计规范》中的建议值并结合所设计案例的IDA分析结果和单层试验现象给出了抗震性能水平量化指标:NO:1/400,IO:1/200,LF:1/100,CP:1/63。并通过各案例的IDA曲线数据对每个案例进行了易损性和抗倒塌分析,结果表明:随着地震荷载的增加,结构逐步屈服并进入塑性状态,利用其良好的延性性能开始发挥耗能作用;同一设计方法的结构案例,随层高的增加,抗倒塌储备系数不断地减小;按“屈曲前屈服”理论设计的案例的CMR要大于按抗剪承载力设计的案例。


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