装配式混凝土双板剪力墙抗震性能试验与理论研究

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近年来,随着我国城镇化进程的加快,国家大力推进新型建筑工业化,以实现建筑业转型升级。装配式混凝土剪力墙结构在我国中、高层建筑尤其是住宅中得到越来越广泛的应用。装配式混凝土双板剪力墙(DWPC剪力墙)结构作为工业化建筑的一种重要结构形式,将在我国高层建筑中发挥其重要作用。本文结合“十二五”国家科技支撑计划课题《装配式建筑混凝土剪力墙结构关键技术研究》(2011BAJ10B03),江苏省产学研前瞻性联合研究项目《装配式混凝土双板剪力墙结构关键技术研究》(BY2014127-05),以及江苏省普通高校研究生科研创新计划项目《装配混凝土剪力墙结构抗震性能研究》(CXLX13105),采用试验研究、理论分析和工程应用相结合的研究方法,对DWPC剪力墙结构的抗震性能进行了较系统的试验研究和理论分析,并将DWPC剪力墙结构应用于高烈度区(8度0.3g)的工程实践。最后结合DWPC剪力墙结构的优缺点,提出了可行的DWPC剪力墙结构的应用建议,以发挥其在我国新型建筑工业化进程中的作用。本文提出的DWPC剪力墙构造改进措施,经试验验证和有限元数值模拟分析,表明其承载能力、整体性能和抗震性能有所改善,经构造改进的DWPC剪力墙能应用于我国大多数抗震设防区的抗震建筑中;论文建立的恢复力模型和参数化数值模拟分析结果,可供DWPC剪力墙动力分析和结构设计提供参考。论文的主要工作及成果如下:1.在广泛查阅文献的基础上,回顾总结了装配式混凝土剪力墙结构的有关技术和研究成果,介绍了国内外部分研究工作者和企业开展的相关工作和研究成果,为DWPC剪力墙结构提供分析思路和研究基础。2.按不同边缘构造(竖向钢筋不同以及连续复合螺旋箍筋不同)、不同剪跨比(分别为2.078和3.325)设计制作了3组共11片DWPC剪力墙足尺比例试件,其中包含2片预应力混合装配双板剪力墙试件,进行了低周反复荷载下的抗震性能试验研究。对试验过程和现象、试验结果进行了分析和研究,并与相应的现浇对比试件试验结果进行对比。主要包括滞回曲线和骨架曲线分析、变形能力及承载力分析、层间位移角分析、刚度退化分析、耗能能力分析和钢筋应变分析等。试验结果表明,DWPC剪力墙具有良好的抗震性能,更高的开裂荷载和承载能力,更高的刚度,变形能力则低于现浇对比试件。与现浇对比试件相比,第1组试件(剪跨比3.325,边缘构件4根竖向钢筋和1个连续螺旋箍筋)极限荷载提高不明显,约1.2%-6.2%,开裂位移、屈服位移和极限位移减小约20%,弹性刚度提高超过25%;第2组试件(剪跨比2.078,边缘构件6根竖向钢筋和2重连续复合螺旋箍筋)开裂荷载提高超过40%,屈服荷载和极限荷载提高超过16%,开裂位移略有减小,屈服位移和极限位移减小约25%;第3组试件(剪跨比2.078,边缘构件8根竖向钢筋和3重连续复合螺旋箍筋)开裂荷载提高超过43%,极限荷载提高约22%;预应力混合装配试件SW10、SW11和普通装配试件SW8、SW9相比,开裂荷载、屈服荷载和极限荷载均得到一定提高,但屈服位移和极限较小。3.基于DWPC剪力墙低周反复荷载试验的结果,在对滞回曲线和骨架曲线进行分析的基础上,通过对骨架曲线进行无量纲化处理,归纳出骨架曲线关键点及计算方法,提出了DWPC短肢剪力墙四折线恢复力模型和DWPC普通剪力墙三折线恢复力模型,分别确定了其滞回规则,推出加载刚度和卸载刚度计算公式,并将计算得到的骨架曲线与试验结果进行对比,验证了本文提出的恢复力模型,恢复力模型各关键点的计算值与试验结果吻合较好,建议的恢复力模型能较好的反映试件的滞回性能,可供DWPC剪力墙结构弹塑性地震反应分析时参考。此外,结合试验结果,通过分析对比,提出了适用于DWPC剪力墙构件承载力计算的计算公式,可供工程实践参考。4.基于混凝土损伤塑性模型理论,在反复测算的基础上,确定DWPC剪力墙数值模拟分析参数,并通过ABAQUS有限元软件对本文的8个DWPC剪力墙试件进行数值模拟分析,通过对比数值模拟结果和试验结果,验证本文建立有限元模型数值模拟的可行性。在此基础上对DWPC剪力墙进行了下列参数变化的参数化分析:轴压比、边缘构件水平接缝连接钢筋直径、边缘构件竖向钢筋直径、边缘构件螺旋箍筋数量以及混合装配DWPC剪力墙所施加的预应力等。参数化分析结果显示,轴压比对DWPC剪力墙的骨架曲线具有显著影响,水平接缝连接钢筋直径、墙体边缘构件竖向钢筋直径和边缘构件连续复合螺旋箍筋对DWPC剪力墙承载力有一定影响。而由于预应力筋布置在墙体的中部,其主要作用是改善墙体变形恢复能力及延缓钢筋屈服,故预应力筋预张力的大小对混合装配的DWPC剪力墙的承载力几乎没有影响。5.介绍了目前国内有代表性的装配式混凝土剪力墙结构及其建造技术,并进行简单评价。在此基础上,重点介绍了DWPC剪力墙结构的试点工程应用研究,包括抗震设计措施、主要节点连接及构件设计研究和相关建造技术研究。主要节点连接及构件结合本文试验结果进行设计,介绍了相应的做法以及对原DWPC体系预制墙的改善措施,以适用于我国抗震区。此外,对DWPC剪力墙结构在推动新型建筑工业进程中的优缺点进行了分析,并提出了相应的建议。上述试验研究和理论分析,为DWPC剪力墙结构的后续研究和工程应用提供了基础和依据,并对我国推进新型建筑工业化有重要现实意义。
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