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低屈服点钢板剪力墙结构基于性能的抗震设计方法研究

吴群  
【摘要】:低屈服点钢板剪力墙体系具有较高的抗侧刚度、强度和延性,同时滞回曲线稳定并有很大的塑性耗能能力,能够较为有效地降低地震的灾害,起到防震减灾的作用。低屈服点钢板剪力墙基于性能的抗震设计方法的提出更能够使得建筑在未来不同强度水平地震作用下,有效地控制建筑物的不同破坏状态,使建筑物实现不同的性能水平,具备预期的功能,拥有广阔的工程应用价值。本文通过研究国内外大量的相关文献,对低屈服点钢板剪力墙基于性能的抗震设计方法进行系统地研究,主要的研究工作和成果如下:(1)研究大量的国内外相关文献,提出了低屈服点钢板剪力墙结构基于位移的性能化抗震设计方法,并介绍了利用能力谱法对基于性能设计方法设计好的低屈服点钢板剪力墙结构进行性能评估的方法,以验证所设计的低屈服点钢板剪力墙结构的合理性。(2)设计了一榀两层的低屈服点钢板剪力墙缩尺模型,对其进行水平低周循环往复加载试验。通过试验着重研究低屈服点钢板剪力墙结构的抗侧刚度、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,分析了结构屈服后承载力的变化,墙板第一主应力倾角以及梁、柱和墙板在试验过程中的应力变化,从而系统地了解低屈服点钢板剪力墙结构的抗震性能。(3)基于理论分析和试验的基础上,通过ANSYS和SAP2000两种有限元分析软件分别对试件进行数值模拟。在ANSYS中,采用APDL语言编写了结构构件全部用壳单元shell181进行有限元数值模拟以考虑局部屈曲影响的命令流程序,壳单元很好地模拟了试件在试验过程中结构构件应力的变化及低屈服点剪力墙板变形的形成过程。基于杆单元和分层壳单元利用SAP2000有限元分析软件分析了结构整体的性能。试验数据验证了两种有限元分析方法的正确性。(4)基于试验数据,参考国内外的相关文献以及我国《建筑抗震设计规范》GB50011-2010附录M中对需要按地震残余变形确定使用性能的结构的层间位移参考指标示例,对低屈服点钢板剪力墙的性能指标进行了量化,并对相应层间位移角下结构的试验现象进行了描述。在达到规范规定的弹性位移角限值1/250时,墙板已接近全部屈服,而框架柱未发生屈服,整体结构基本完好;在达到规范规定的弹塑性位移角限值1/50时,墙板中心的凸起明显,两边框架柱皆进入屈服,且翼缘出现轻微的扭曲。(5)根据低屈服点钢板剪力墙结构基于位移的抗震性能化设计方法,设计出高烈度地震区10层和30层的低屈服点钢板剪力墙结构。按照所量化的四个性能指标分别进行抗震性能化设计,详细地给出了10层低屈服点钢板剪力墙结构基于性能3和性能4的设计过程,以及30层低屈服点钢板剪力墙结构考虑高阶振型影响基于性能3的设计过程。并利用能力谱法对设计好的结构进行性能评估,分析结构在不同性能下性能状态,以验证结构的合理性。在不同的性能状态下,低屈服点钢板剪力墙结构的剪力墙板随着地震水平提高不断地屈服,而外框架始终未出现塑性铰,说明了低屈服点剪力墙板在不同的性能状态下皆发挥了重要的作用,证实了低屈服点钢板剪力墙结构的抗震性能很好,结构体系的优势很明显,适合广泛推广使用。


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