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钢板剪力墙抗震性能的试验与理论研究

李峰  
【摘要】:钢板剪力墙以其优越的耗能性及良好的延性,受到国内外学者的广泛关注与研究,特别适用于抗震要求较高的高层及超高层结构中。 本文通过试验和数值模拟方法对薄板、十字加劲、开缝开洞及开洞四种类型钢板剪力墙进行了系统的研究。揭示不同类型的钢板剪力墙在低周往复荷载下的滞回性能和各参数对其承载力的影响,进而寻求钢板剪力墙的简化计算模型,为钢板剪力墙的设计和实际应用提供参考。主要研究内容和成果如下: 1)对四种类型的钢板剪力墙(SPSW)进行了拟静力试验研究,得到滞回曲线和骨架曲线,分析了钢板剪力墙的侧向刚度、承载力、延性系数、耗能性能、承载力退化、峰值刚度退化和变形特性等指标。结果表明:薄钢板剪力墙有较高的侧向刚度、承载能力和良好的延性性能,但是其滞回曲线有明显的捏缩效应;加劲肋对薄钢板面外变形有较强的约束,对钢板剪力墙的抗侧刚度和承载力有显著提高;开缝钢板剪力墙耗能性能良好,但抗侧刚度和承载力较弱;开洞钢板剪力墙性能介于开缝钢板剪力墙和薄板钢板剪力墙之间。四种钢板剪力墙中,十字加劲钢板剪力墙抗侧刚度最大,承载力最高,而开缝钢板剪力墙耗能性能最好。对比了四种钢板剪力墙其性能的差异及设计要求,为实际工程应用提供依据。 2)通过大型有限元ANSYS软件模拟了四种类型钢板剪力墙的循环拟静力试验,并与试验数据对比。分析了滞回曲线、骨架曲线、内填板应力及变形等指标。有限元求解结果与试验结果吻合较好,为后续拓展分析提供了依据。有限元模拟为理想约束状态,且不考虑材料缺陷和残余应力,所得抗侧刚度较大。应力云图显示,最大应力首先出现在内填板上,随着应力发展变化,最大应力转移到了柱脚和梁柱节点以下部位。最终破坏时,该处应力过大,发生局部屈曲。加载后期,由于十字加劲肋屈服甚至断裂,其对内填板的面外变形约束作用微弱。 3)研究了板高厚比、高宽比、柱刚度、轴压比、肋板刚度比、框架梁柱连接方式等参数对钢板剪力墙承载力的影响,分析了各参数下剪力墙的极限承载力,得到了荷载-位移曲线、应力云图和板面外变形图。研究表明:柱轴压比越大,钢板剪力墙的极限承载力越低,但是对钢板剪力墙的初始弹性刚度影响不大;肋板刚度比高于一定值时,内填板的拉力带可以充分发育,对其承载力的影响不再明显;缝间板条的高宽比越大,钢板剪力墙承载能力和抗侧移刚度越低。 4)在单拉杆计算模型的基础上,进行了薄钢板剪力墙双向拉杆及等效为人字支撑的计算分析。结果表明:等效为双向拉杆模型的承载能力和初始弹性刚度较低,但是其整体性能曲线和发展趋势与试验及ANSYS壳元模拟结果比较接近;人字支撑模型有较好的初始弹性刚度,但其出现塑性铰后,承载力迅速下降,简化理论与试验相差较大。通过数值回归修正刚度系数,提出了四种钢板墙相应的简化计算方法。利用SAP2000、ANSYS的求解结果与试验数据对比,验证其有效性,进而利用简化模型计算了两个工程实例。


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