集成模块钢结构波纹钢板剪力墙与新型节点抗震性能研究

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目前,集成模块钢结构以其施工高效、质量精良、绿色环保等优越性逐渐成为工程界和学术界关注的热点,但其建设多局限于非抗震设防地区,对其抗震性能的研究还不够充分。针对这一现状,本文开展了集成模块钢结构波纹钢板剪力墙与新型节点抗震性能研究,主要研究工作与成果如下:(1)开展了足尺波纹钢板剪力墙拟静力试验。根据集成模块钢结构建造方式设计加载方案,完成开洞与不开洞2组共8个波纹钢板剪力墙足尺试件拟静力试验,试验变化参数为厚度、波型、长度和开洞率。结果表明,未开洞墙体试件破坏过程可分为弹性-屈曲-屈曲后3个阶段,开洞墙体试件破坏过程可分为弹性-剪切屈服-破坏3个阶段;开洞显著降低了波纹钢板剪力墙的抗侧刚度,但增强了试件的耗能能力。(2)开展了波纹钢板剪力墙抗震性能有限元分析。建立了波纹钢板剪力墙有限元分析模型,该模型考虑几何非线性、材料非线性和初始几何缺陷的影响,通过与试件在低周往复荷载作用下试验结果对比,验证了所建立有限元模型的可靠性。分析了低周往复荷载作用下波纹钢板剪力墙试件应力变化过程和等效塑性应变发展过程,揭示了试件破坏机理,建议了合理的开洞位置。(3)推导了波纹钢板剪力墙抗侧刚度理论计算公式。分别建立了开洞与不开洞波纹钢板剪力墙理论计算模型,推导了其抗侧刚度计算公式并与相关试验和数值模拟结果对比进行验证。结果表明,与我国现行《钢板剪力墙技术规程》(JGJ/T 380-2015)相关公式比较,本文所建议公式具有较好的精度。通过参数分析给出了长度、高度、厚度、波型和开洞位置对波纹钢板剪力墙抗侧刚度的影响规律。(4)提出了一种新型螺栓-封板连接节点。为解决传统形式节点连接与模块内部装修施工空间冲突的问题,提出了可在模块单元外部安装的螺栓-封板连接节点,并进行了3组共11个足尺试件的单调加载和循环加载试验,研究了其传力机理、滞回曲线、强度与刚度特性、延性和耗能能力等抗震性能。结果表明,螺栓-封板连接节点为半刚性节点,可满足我国现行《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)和美国现行《钢结构建筑抗震规定》(AISC 341-10)的延性需求。地震作用下建议采用构造设计加强节点域,以满足“强柱弱梁”的抗震设防要求。(5)提出了螺栓-封板连接节点简化模型和抗弯承载力、初始转动刚度设计计算公式。建立了螺栓-封板连接节点精细化有限元模型和简化模型,与试验结果对比表明,所建立的简化模型可以准确模拟螺栓-封板节点的初始转动刚度,偏于保守地预测节点的抗弯承载力;推导了螺栓-封板连接节点抗弯承载力和初始转动刚度计算公式,与试验结果对比表明,抗弯承载力和初始转动刚度计算值与试验结果吻合良好。
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