带悬臂段钢连梁的方钢管混凝土边框联肢钢板剪力墙抗震性能和设计方法研究

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联肢钢板剪力墙通过沿楼层高度设置钢连梁,将两组单独作用的钢板剪力墙进行连接,组成整体。在水平地震力作用下,由于连梁的耦联作用,相邻的两组钢板剪力墙可以协同工作,从而提高结构的抗侧性能。本文提出了一种能够满足建筑空间布置需求,构造简单,且在震后可使结构快速恢复使用功能的带悬臂段钢连梁的方钢管混凝土边框联肢钢板剪力墙。采用试验研究、有限元数值模拟及理论研究相结合的方法,对带悬臂段钢连梁的方钢管混凝土边框联肢钢板剪力墙的抗震性能和设计方法进行研究。主要内容如下:(1)对一个3层3跨1/3比例带悬臂段钢连梁的方钢管混凝土边框联肢钢板剪力墙进行循环往复荷载试验,研究了方钢管混凝土边框联肢钢板剪力墙的抗震性能。结果表明,方钢管混凝土边框联肢钢板剪力墙承载力高、延性好、耗能能力强,结构性能优异。悬臂段钢连梁的中部易替换段先于结构主体框架发生屈服,且连梁悬臂段保持弹性,连梁在震后可更换。(2)利用有限元软件ABAQUS对试验试件进行非线性数值模拟分析,并将有限元分析结果与试验结果进行对比。结果表明,有限元与试验荷载-位移滞回曲线、骨架曲线吻合较好,验证了有限元分析方法的正确性。结合试验和有限元分析结果,分析了试件的应力、应变发展过程,明确了带悬臂段钢连梁的方钢管混凝土边框联肢钢板剪力墙的受力机理和破坏机制。(3)利用上述有限元分析方法,建立足尺有限元模型,研究了耦联率DC和连梁悬臂段长度L对带悬臂段钢连梁的方钢管混凝土边框联肢钢板剪力墙滞回性能的影响。结果表明,连梁可以减小框架内柱受力,在结构设计时,可以将框架内外柱设计为不同截面尺寸的构件。耦联率较高时,连梁截面尺寸较大,对节点的承载力需求较大;耦联率较低时,结构达到塑性后,联肢钢板剪力墙的刚度与单独作用的两组钢板剪力墙基本一致。故在结构设计中,耦联率取值应在合理范围,建议取值为0.3~0.5。连梁悬臂段长度在0.58倍连梁净跨以内时,连梁悬臂段长度对带悬臂段钢连梁的方钢管混凝土边框联肢钢板剪力墙滞回性能的影响很小。连梁悬臂段过长,连梁中部易替换段发生剪切破坏时,悬臂段受力较大,与连梁悬臂段保持弹性的设计目标不符。建议连梁悬臂段长度小于连梁净跨的50%。(4)基于试验和有限元分析结果,结合联肢钢板剪力墙的受力性能分析,提出了连梁发生剪切破坏时带悬臂段钢连梁方钢管混凝土边框联肢钢板剪力墙的设计方法。算例分析表明,依据上述方法所设计的带悬臂段钢连梁方钢管混凝土边框联肢钢板剪力墙能够形成理想的破坏机制。
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