装配式钢框架-EPS混凝土墙板结构体系力学性能研究

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随着装配式住宅建筑体系的提出与发展,关于新型墙板材料性能、结构体系力学性能的研究,成为建筑领域重点关注的对象。从结构体系上分类,带墙体(板)的钢框架结构体系属于一种组合墙结构体系,具有施工快捷(钢框架)、抗侧移刚度高(墙板)的双重特点,钢框架和墙板能够协同作用,共同抵抗水平荷载,因此其属于较好的抗侧力结构体系。相关学者对墙体(板)的钢框架结构体系开展了大量试验和理论研究,相关成果可借鉴和应用于实际工程中。在国家政策指导和资金扶持的形势下,本课题小组综合考虑使用用途、环境和建筑要求等,提出一种绿色、节能,且满足隔音隔热的新型建筑墙板,以及装配式钢框架—聚苯乙烯泡沫(以下简称EPS)混凝土墙板组合墙结构体系,为将此结构体系落地推广,需对其力学性能开展深层次研究。本文通过具体的试验加载、有限元仿真计算和受力机理分析,综合性研究此种组合墙结构体系的柱顶水平承载力、抗侧移刚度、协同工作过程、简化等效模型和适用于本文结构体系的抗侧移刚度公式,最终得到的研究成果,可对装配式组合墙结构体系的推广提供可靠的成果支撑,具有一定的工程应用价值。本文工作内容和有关成果如下:(1)对1榀纯钢框架、1榀组合墙结构体系进行足尺试验加载。在进行具体的试验研究前,完成了材料材性试验、加载方案等试验前期工作,分别对纯钢框架结构和组合墙结构施加沿水平方向的静力荷载,结合试验现象和数据分析发现,混凝土墙板会改变钢框架的破坏过程,显著提高结构的抗侧移刚度和承载能力。(2)采用有限元软件ANSYS对试验试件进行了仿真模型的建立和模拟加载分析,并根据求解结果分析墙板对受力性能的影响。为简化建模过程,在建模时提出若干假设,并忽略试验中所存在的误差,得到的仿真承载力略高于试验加载结果。将有限元计算结果与试验作对比分析,整体模拟加载现象、破坏过程和曲线结果基本相吻合,混凝土板的影响作用与试验结论相一致,因此可采用有限元软件进行深化研究。(3)以相关理论为基础,提出适用于该组合墙结构体系的等效模型。结合墙板受力特点,通过逐步假设简化,将组合墙结构体系等效为斜杆支撑模型,并根据等效刚度原则,推导出斜撑杆半径计算公式。对组合墙的原模型和等效模型的仿真结果进行分析,得出使荷载—位移曲线相吻合的斜杆半径修正系数。(4)参数化分析EPS混凝土板或C30混凝土板厚度对组合墙结构水平承载力的影响。在偏心荷载、截面惯性矩等影响下,组合墙水平承载力与墙板厚度呈现复杂变化趋势,当且仅当墙板厚度与梁柱翼缘宽度相等时,组合墙的水平承载力为最大值。(5)基于本文研究成果,提出便于工程推广的设计建议:在装配式民用住宅中,型钢梁柱可选用相同且较小的截面,梁与柱之间通过齐平端板进行有效连接,内嵌墙板厚度与翼缘宽度相同。采用上述设计方案,既能发挥出结构体系装配式施工特点,又能保证组合墙结构具有较高的水平承载力和抗侧移性能,因此在实际工程中具有很好的运用前景。
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