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《济南大学》 2012年
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半刚性钢框架—组合钢板剪力墙混合结构的动力特性及抗震有限元分析

张琪  
【摘要】:抗侧力体系的选择是高层建筑结构设计的关键内容之一。组合钢板剪力墙是已经被国内外众多试验证明了的优秀抗侧耗能构件。相比传统的钢筋混凝土剪力墙,组合钢板剪力墙具有延性好、承载力高、抗侧刚度退化不明显以及承载后期耗能稳定的优点;与普通非加劲薄钢板剪力墙相比,克服了因“薄板屈曲后强度”利用带来的面外屈曲严重、防火性能差、滞回耗能能力不稳定、对边柱稳定不利五个缺陷。 国内外针对组合钢板剪力墙的研究取得了大量有意义的成果,但是大多都是针于墙板本身的性能,而其与钢框架组合性能的研究则不多,基本上处于刚刚起步阶段。目前关于组合墙的研究仅仅局限于结构的静力分析阶段,未曾涉及到结构的动力特性。因此迫切需要对上述两个方面进行系统的研究。 内填组合钢板剪力墙钢框架(SCSW)结构是一种新型的混合结构抗侧力体系,弥补了传统抗弯框架侧向刚度严重不足的缺点,为采用刚度较低的半刚性节点提供了可能。半刚性连接钢框架-组合钢板剪力墙的滞回性能、传力机理以及变形模式完全与刚性框架-组合墙不同,因其涉及问题的复杂性与多样性,至今关于此类问题的研究仍为空白。本文采用有限元法对其进行数值分析,为国家自然科学基金“新型抗侧力体系-钢框架混合结构动力特性以及抗震研究”后续相关试验的进行提供充足的理论基础。 采用接触算法解决了钢板与混凝土板的相互作用,并对计算结果进行了验证。作为对照分析,在ANSYS数值研究平下,建立了单跨两层半刚性钢框架-组合钢板剪力墙和半刚性钢框架-普通薄钢板剪力墙的两组静力加载模型,对组合钢板剪力墙框架结构体系的抗侧性能、滞回性能、工作机理以及组合墙对框架的影响进行了详细的分析。计算结果表明:半刚性框架-组合墙结构体系相比半刚性框架-普通薄钢板墙承载力提高33.6%,弹性抗侧刚度提高42.6%,且能获得更加稳定的滞回耗能能力;相比普通钢板墙的拉力带机制,组合钢板墙的应力响应近似于平面应力状态,钢板利用率大幅度提高;两者都能获得较好的延性性能,且延性系数都超过了5。 在BASE模型的基础上,对SCSW结构进行了有限元参数分析。主要考虑了半刚性节点初始转动刚度、螺栓的排布方式、内填钢板高厚比、砼盖板数量、砼盖板厚度以及内填墙与框架的连接强度等6个因素的影响,系统地分析了6个系列15个有限元试件,得出了许多有益的结论,并提出了抗震设计对策和建议。 采用模态理论中的特征值求解方法,对单跨六层大尺寸SCSW模型进行动力特性分析。提出了SCSW结构动力分析的简化计算方法,并进行了验证。取结构的前三阶振型下的动力特性(自振周期、自振频率)进行了研究,并与传统的钢框架结构进行了对比。发现:SCSW结构不再适合“抗震设计规范”建议的计算结构自振周期的经验公式,经验公式需进行折减。在动力分析BASE模型的基础上,进行了参数分析,主要考虑节点的转动刚度、框架层数、内填钢板的厚度以及盖板质量4个影响因素,得出了些有益的结论。 半刚性连接的SCSW结构应用前景十分广阔。本文对SCSW混合结构的静力以及动力特性分析,是对当前组合钢板剪力墙研究的补充,为指导工程设计提供了理论参考,也为SCSW进一步的研究奠定了基础。
【学位授予单位】:济南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TU398.2;TU352.11

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