论文部分内容阅读
装配式混凝土剪力墙结构结合了预制装配技术和混凝土剪力墙结构的特点，已成为我国目前发展最快、应用最广泛的装配式结构体系之一。装配式混凝土剪力墙结构往往采用“等同现浇”的设计理念，但是传统现浇混凝土剪力墙结构的自重、刚度和承载力较大，延性和耗能能力较弱，在地震作用下剪力墙底部和连梁处会形成塑性铰，钢筋和混凝土的塑性发展是永久性损伤，难以修复。为改善传统混凝土剪力墙的抗震性能和满足装配式混凝土结构的应用需求，本文从两方面进行研究：一方面提出了新型混凝土夹心剪力墙，通过在传统混凝土剪力墙内部设置夹心，使墙体的刚度、承载力、延性和耗能达到较好的匹配；另一方面改善夹心剪力墙装配连接形式，形成刚性连接或耗能连接装配式混凝土夹心剪力墙结构，从而改善现浇或“等同现浇”剪力墙结构的抗震性能。本文主要从混凝土夹心剪力墙墙体和装配式混凝土夹心剪力墙结构的拟静力试验、数值模拟和设计方法等方面进行了系统的研究，具体内容包括：
1. 完成了混凝土夹心剪力墙的弹性力学分析。以弹性力学为基础，推导了夹心剪力墙在侧向荷载作用下的内力和位移响应，结果表明其响应受各组成部分的材料属性和几何尺寸影响显著；混凝土剪力墙截面中部的正应力很小，而剪应力较大，可采用夹心布置降低剪力墙的刚度，中部夹心壁在侧向荷载作用下会先发生塑性耗能破坏，而后暗柱发挥抗震性能。
2. 开展了新型混凝土夹心剪力墙的抗震性能试验研究。设计了五个现浇混凝土剪力墙试件，包括一个普通剪力墙对比试件、一个双暗竖缝剪力墙试件、两个单夹心剪力墙试件和一个双夹心剪力墙试件，对各个试件进行拟静力加载试验。试验结果表明：普通剪力墙呈现明显的剪切破坏，延性仅为2.2；双暗竖缝使剪力墙的整体性减弱，承载力比普通剪力墙降低约7%，耗能能力基本不变，位移延性提高至3.0；夹心壁短且薄的单夹心剪力墙试件的承载力比普通剪力墙降低不超过10%，而延性提高至3.8，合理的夹心设置可以实现墙体的刚度、承载力、耗能和延性的较好匹配；双夹心剪力墙侧向响应呈现绕中部暗柱摇摆的特点，其承载力和耗能都比普通剪力墙有所降低，但变形能力显著提高。
3. 完成了新型混凝土夹心剪力墙的数值模拟和影响因素分析研究。对五个现浇混凝土剪力墙试件分别进行了数值模拟对比分析，并研究了轴压比、剪跨比、夹心段长度比和夹心板厚度比对混凝土夹心剪力墙抗震性能的影响。模拟结果表明：三维实体有限元模型可较好地模拟新型混凝土夹心剪力墙的内力和位移响应；轴压比越大，夹心剪力墙的承载力越高，延性越差，与轴压比为 0.1 的夹心剪力墙对比，轴压比为0.4的夹心剪力墙承载力提高约40%，但位移延性从6.5降低至3.0；剪跨比越大，夹心剪力墙的初始刚度和承载力越小，变形能力越强，与剪跨比为 1.0 的夹心剪力墙对比，剪跨比为1.5的夹心剪力墙初始刚度降低约40%，承载力降低约25%；建议对算例的夹心剪力墙模型夹心段长度比取0.2~0.6，夹心板厚度比取0.3~0.45，可实现夹心剪力墙刚度、承载力和延性的较好匹配。
4. 开展了新型装配式混凝土夹心剪力墙墙体和结构的抗震性能试验研究。设计了采用干式刚性连接和耗能连接的装配式混凝土夹心剪力墙墙体、采用湿式连接和干式连接的装配式混凝土夹心剪力墙结构，对各墙体和结构分别进行拟静力试验研究。试验结果表明：装配式混凝土夹心剪力墙墙体的水平缝和竖缝处采用型钢连接可有效传递内力，实现刚性连接；装配式混凝土夹心剪力墙墙体的水平缝处采用耗能钢筋连接件或竖缝处采用摩擦耗能连接件可实现耗能连接，并显著提高变形能力；湿式连接和干式刚性连接的装配式混凝土夹心剪力墙结构的抗震性能基本一致，主要依靠塑性损伤耗散能量；摩擦耗能连接装配式混凝土夹心剪力墙结构在试验结束时仍保持弹性，耗能连接件可有效耗散能量；摩擦耗能连接结构的阻尼比较刚性连接结构有显著提高，在侧移角为1/50时，刚性连接结构（WPS和DPS-5）的阻尼比约为0.15，而摩擦耗能连接结构（DPS-1~DPS-4）的阻尼比为0.20~0.25；合理增大摩擦耗能连接结构水平缝或竖缝连接件的摩擦力，可以提高结构的耗能和承载力；合理增大摩擦耗能连接结构的预应力可以显著提高结构的承载力和自复位能力。
5. 完成了装配式混凝土夹心剪力墙墙体和结构的数值模拟和力学性能分析。分别对装配式混凝土夹心剪力墙墙体和结构进行数值模拟对比分析和影响因素分析，并对摩擦耗能连接装配式混凝土夹心剪力墙结构进行力学性能分析。分析结果表明：三维实体精细化有限元模型和分层壳模型分别可以较好地模拟新型装配式混凝土夹心剪力墙墙体和结构的侧向响应；在装配式混凝土夹心剪力墙墙体的竖缝或水平缝处采用合理设计的耗能连接件可有效耗能并降低墙体刚度；对于摩擦耗能连接装配式混凝土夹心剪力墙结构，合理增大竖缝处连接件的摩擦力，可提高左右相邻墙体的整体性和协同性；合理增大竖缝处连接件的摩擦力或水平缝处连接件的摩擦力，可以提高结构的耗能、阻尼比和承载力；合理增大预应力可以提高结构的承载力和自复位能力，但是结构的阻尼比降低；本文提出的力学分析方法与试验对比分析表明，该方法可以预测摩擦耗能连接装配式混凝土夹心剪力墙结构的滞回响应，误差不超过15%，满足工程设计分析需求。
6. 提出了新型混凝土夹心剪力墙结构的抗震设计方法。以连续连杆法为基础，研究了混凝土夹心剪力墙的内力和变形，提出了混凝土夹心剪力墙结构基于力的抗震设计方法；以力学性能分析为基础，对摩擦耗能连接装配式混凝土夹心剪力墙结构提出了基于位移的抗震设计方法；通过对120480个双线性摩擦耗能单自由度模型进行动力时程分析得到了非线性位移比谱和残余位移比谱，据此对摩擦耗能连接装配式混凝土夹心剪力墙结构提出了基于震后可修复性的抗震设计方法；并分别针对各抗震设计方法设计算例进行了有效性验证。
1. 完成了混凝土夹心剪力墙的弹性力学分析。以弹性力学为基础，推导了夹心剪力墙在侧向荷载作用下的内力和位移响应，结果表明其响应受各组成部分的材料属性和几何尺寸影响显著；混凝土剪力墙截面中部的正应力很小，而剪应力较大，可采用夹心布置降低剪力墙的刚度，中部夹心壁在侧向荷载作用下会先发生塑性耗能破坏，而后暗柱发挥抗震性能。
2. 开展了新型混凝土夹心剪力墙的抗震性能试验研究。设计了五个现浇混凝土剪力墙试件，包括一个普通剪力墙对比试件、一个双暗竖缝剪力墙试件、两个单夹心剪力墙试件和一个双夹心剪力墙试件，对各个试件进行拟静力加载试验。试验结果表明：普通剪力墙呈现明显的剪切破坏，延性仅为2.2；双暗竖缝使剪力墙的整体性减弱，承载力比普通剪力墙降低约7%，耗能能力基本不变，位移延性提高至3.0；夹心壁短且薄的单夹心剪力墙试件的承载力比普通剪力墙降低不超过10%，而延性提高至3.8，合理的夹心设置可以实现墙体的刚度、承载力、耗能和延性的较好匹配；双夹心剪力墙侧向响应呈现绕中部暗柱摇摆的特点，其承载力和耗能都比普通剪力墙有所降低，但变形能力显著提高。
3. 完成了新型混凝土夹心剪力墙的数值模拟和影响因素分析研究。对五个现浇混凝土剪力墙试件分别进行了数值模拟对比分析，并研究了轴压比、剪跨比、夹心段长度比和夹心板厚度比对混凝土夹心剪力墙抗震性能的影响。模拟结果表明：三维实体有限元模型可较好地模拟新型混凝土夹心剪力墙的内力和位移响应；轴压比越大，夹心剪力墙的承载力越高，延性越差，与轴压比为 0.1 的夹心剪力墙对比，轴压比为0.4的夹心剪力墙承载力提高约40%，但位移延性从6.5降低至3.0；剪跨比越大，夹心剪力墙的初始刚度和承载力越小，变形能力越强，与剪跨比为 1.0 的夹心剪力墙对比，剪跨比为1.5的夹心剪力墙初始刚度降低约40%，承载力降低约25%；建议对算例的夹心剪力墙模型夹心段长度比取0.2~0.6，夹心板厚度比取0.3~0.45，可实现夹心剪力墙刚度、承载力和延性的较好匹配。
4. 开展了新型装配式混凝土夹心剪力墙墙体和结构的抗震性能试验研究。设计了采用干式刚性连接和耗能连接的装配式混凝土夹心剪力墙墙体、采用湿式连接和干式连接的装配式混凝土夹心剪力墙结构，对各墙体和结构分别进行拟静力试验研究。试验结果表明：装配式混凝土夹心剪力墙墙体的水平缝和竖缝处采用型钢连接可有效传递内力，实现刚性连接；装配式混凝土夹心剪力墙墙体的水平缝处采用耗能钢筋连接件或竖缝处采用摩擦耗能连接件可实现耗能连接，并显著提高变形能力；湿式连接和干式刚性连接的装配式混凝土夹心剪力墙结构的抗震性能基本一致，主要依靠塑性损伤耗散能量；摩擦耗能连接装配式混凝土夹心剪力墙结构在试验结束时仍保持弹性，耗能连接件可有效耗散能量；摩擦耗能连接结构的阻尼比较刚性连接结构有显著提高，在侧移角为1/50时，刚性连接结构（WPS和DPS-5）的阻尼比约为0.15，而摩擦耗能连接结构（DPS-1~DPS-4）的阻尼比为0.20~0.25；合理增大摩擦耗能连接结构水平缝或竖缝连接件的摩擦力，可以提高结构的耗能和承载力；合理增大摩擦耗能连接结构的预应力可以显著提高结构的承载力和自复位能力。
5. 完成了装配式混凝土夹心剪力墙墙体和结构的数值模拟和力学性能分析。分别对装配式混凝土夹心剪力墙墙体和结构进行数值模拟对比分析和影响因素分析，并对摩擦耗能连接装配式混凝土夹心剪力墙结构进行力学性能分析。分析结果表明：三维实体精细化有限元模型和分层壳模型分别可以较好地模拟新型装配式混凝土夹心剪力墙墙体和结构的侧向响应；在装配式混凝土夹心剪力墙墙体的竖缝或水平缝处采用合理设计的耗能连接件可有效耗能并降低墙体刚度；对于摩擦耗能连接装配式混凝土夹心剪力墙结构，合理增大竖缝处连接件的摩擦力，可提高左右相邻墙体的整体性和协同性；合理增大竖缝处连接件的摩擦力或水平缝处连接件的摩擦力，可以提高结构的耗能、阻尼比和承载力；合理增大预应力可以提高结构的承载力和自复位能力，但是结构的阻尼比降低；本文提出的力学分析方法与试验对比分析表明，该方法可以预测摩擦耗能连接装配式混凝土夹心剪力墙结构的滞回响应，误差不超过15%，满足工程设计分析需求。
6. 提出了新型混凝土夹心剪力墙结构的抗震设计方法。以连续连杆法为基础，研究了混凝土夹心剪力墙的内力和变形，提出了混凝土夹心剪力墙结构基于力的抗震设计方法；以力学性能分析为基础，对摩擦耗能连接装配式混凝土夹心剪力墙结构提出了基于位移的抗震设计方法；通过对120480个双线性摩擦耗能单自由度模型进行动力时程分析得到了非线性位移比谱和残余位移比谱，据此对摩擦耗能连接装配式混凝土夹心剪力墙结构提出了基于震后可修复性的抗震设计方法；并分别针对各抗震设计方法设计算例进行了有效性验证。