冷弯薄壁型钢-竹组合墙体在低层结构中的应用与性能研究

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为了解决我国当前农村传统住宅存在的结构设计不合理、抗震性能差、施工周期长、单位能耗高等问题,本文通过研究不同类型的带斜撑组合墙体对低层冷弯薄壁型钢结构抗震性能的影响,优化结构设计方案并提出相关抗震设防标准建议值,推动冷弯薄壁型钢住宅在农村地区的应用。具体内容如下:(1)通过ABAQUS软件建立冷弯薄壁型钢-竹组合墙体,采用“Embedded”的方式将自攻螺钉集合内嵌到竹材覆面板和型钢骨架之间,模拟自攻螺钉连接时的受力特征。结果表明:该模型可以很好的实现自攻螺钉连接在滞回荷载作用下的“捏缩滑移”特征,将其设置到整体模型中,对墙体进行滞回加载模拟,对比有限元计算结果和试验的破坏特征、滞回曲线和承载力等,与有限元模拟结果偏差在5%以内,均吻合良好。验证了本文有限元模型的正确性。(2)在有限元建模方法研究基础上,建立了6种结构不同的带斜撑钢-竹组合墙体(包含2种无斜撑墙体对比模型),在低周往复荷载作用下对组合墙体抗剪性能进行了有限元研究。通过变化斜撑的布置数量、位置、方向等参数,得出了不同斜撑布置方案对组合墙体抗剪承载力、刚度退化和延性的影响规律。结果表明:斜撑数量相同时不同的布置方式对抗剪承载力提升不明显,但对结构刚度的影响差异较大。增加斜撑个数对墙体抗剪承载力和刚度系数提升不明显,其中斜撑“米”字型布置的组合墙体抗剪承载力提升了56.4%,斜撑“仌”字型布置的组合墙体抗剪承载力提升了50.2%,延性系数分别提升了0.56和1.49。沿边柱两侧首尾相接布置6处斜撑的组合墙体抗剪性能最好。(3)参照等代拉杆法的简化模型计算思路,采用ETABS程序中多段塑性连接单元Pivot等效斜支撑,简化模拟组合墙体的抗剪性。进一步建立三层冷弯薄壁型钢整体结构模型。对比ETABS模拟结果与整体结构的试验数据可知:两者1阶频率和2阶频率分别相差9%和2%,时程加速度曲线与位移曲线均与试验结果较吻合。表明该方法简化模拟低层弯薄壁型钢结构效果较好,模拟计算结果较精确。(4)通过计算结构在7度~9度多遇地震工况以及7度~8度罕遇地震工况下非线性时程反应,研究不同类型的带斜撑墙体对三层冷弯薄壁型钢结构抗震性能的影响。结果表明:同一工况下墙体没有斜撑的结构峰值加速度比墙体有斜撑的结构高12.1%以上,墙体两侧区域均布置6处斜撑的结构加速度响应最小。在多遇地震工况下,墙体布置6处斜撑的结构比墙体布置4处斜撑的结构层间位移角减小11.25%,在罕遇地震工况下减小5.6%。考虑建议多遇地震设防工况下冷弯薄壁型钢-竹结构体系层间位移角限值不大于1/900,罕遇地震设防工况下层间位移角不大于1/80。
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