冷弯薄壁型钢-意杨LVL组合剪力墙结构协同工作性能研究

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现代木结构可工厂化精确生产,具有绿色环保、健康宜居、结构安全、装配化程度高等优点。钢结构具有轻质高强、抗震性能优、施工速度快、工业化程度高等优势,已成为现代建筑的重要结构形式。本文提出的冷弯薄壁型钢-意杨LVL(Laminated Veneer Lumber,简称LVL)剪力墙组合结构不仅兼具钢材、木材两种材料优点,而且符合我国可持续发展的基本国策和装配式建筑的发展战略。该组合结构中以钢为框、以木为辅,通过试验研究、数值模拟和理论分析,研究冷弯薄壁型钢-意杨LVL剪力墙组合结构非线性有限元模型的建模方法,阐述该组合结构中各组份之间协同工作性能,揭示该组合结构的损伤演变发展规律。这种钢木组合结构的研发对推动建筑业生态文明建设、促进节能减排、实现绿色施工、提高建筑业转型升级和发展装配式建筑均具有重要理论意义和实用价值。主要内容和结论如下:(1)材料性能试验研究:对意杨LVL胶合木进行材性试验,研究了胶合木的密度、含水率、受压情况下胶合木的弹性模量与抗压强度及其应力-应变曲线、抗弯强度等物理力学性能。试验表明:意杨LVL胶合木测得的含水率和密度均符合相关规范要求,破坏模式为脆性破坏,木材在顺纹方向受力性能较好,而意杨木在受拉过程中表现较为稳定,大多为线弹性阶段。(2)钉连接节点试验与数值模拟:首先对普通钢钉、麻花钉、自攻螺钉三种国产钉进行抗弯性能试验,测得其抗弯屈服强度分别为1087.29MPa、1871.71MPa和751.46MPa符合规范和相关研究要求;为了研究钉连接的受力性能,对两种不同形式的钉连接节点进行单向拉伸试验和有限元模拟,结果表明:垂直于胶层加载的钉节点具有更高的极限荷载,但延性较差,模拟值与试验值误差较小,均低于5%。(3)钢-木高强螺栓连接节点试验研究与数值模拟:针对三组螺栓直径不同的钢-木螺栓连接节点试件进行试验研究与数值分析,分析钢木螺栓连接节点的破坏模式、荷载-位移曲线、节点处应变及螺栓滑移等方面参数,结果表明:M12螺栓连接节点的平均屈服荷载、极限荷载分别为39.58kN、41.66kN,大于M16、M20螺栓连接节点,试验与模拟结果误差小于5%,验证了有限元分析模型的有效性,为建立冷弯薄壁型钢-意杨LVL剪力墙组合结构分析模型奠定基础。(4)冷弯薄壁型钢-意杨LVL剪力墙组合结构各组份之间工作协同性能分析:建立冷弯薄壁型钢-意杨LVL剪力墙非线性分析模型,改变内填墙骨的厚度、位置、间距等因素来研究单调水平荷载作用下冷弯薄壁型钢-意杨LVL剪力墙的受力性能及低周反复荷载作用下该剪力墙的破坏形态、荷载位移曲线、滞回特性、极限位移、抗侧刚度、耗能等滞回性能,揭示该剪力墙各组份之间工作协同性能,结果表明:当内填龙骨横向布置且厚度为60mm时,剪力墙具有较好的抗震性能,且内填木龙骨能为冷弯薄壁型钢-意杨LVL剪力墙的抗侧和耗能性能做出更大的贡献;对剪力墙中钉节点荷载-滑移曲线进行拟合,给出了冷弯薄壁型钢-意杨LVL剪力墙抗侧承载力计算公式,并将理论值与模拟值进行对比。
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