自复位支撑钢板剪力墙及其结构抗震性能理论与试验研究

来源 :北京交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:iloveshe1987
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钢板剪力墙作为一种具有良好延性性能和较强耗能能力的抗侧力构件,可在地震作用下为结构提供稳定的抗侧刚度并消耗地震输入能量。然而,钢板剪力墙通过钢材屈服耗能,累积塑性变形会在震后产生明显的残余变形,给结构的震后修复带来困难,同时,墙板产生的拉力带会对边缘柱产生不利影响。因此,本文提出了一种兼具高耗能与自复位性能的自复位支撑钢板剪力墙(Steel plate shear wall with self-centering energy dissipation braces,简称SPSW-SCEDB),该构件由中间布置的两边连接钢墙板和两根对称倾斜布置于墙板两侧的自复位耗能支撑组成,在往复荷载作用下呈现稳定的旗形滞回曲线。本文通过理论分析、数值模拟及拟静力试验,系统研究了SPSW-SCEDB的滞回性能、耗能及复位性能,建立了SPSW-SCEDB构件设计方法,给出了钢框架-自复位支撑钢板剪力墙(Steel frame-steel plate shear wall with self-centering energy dissipation braces,简称SF-SCSPSW)结构抗震性能需求,建立了直接基于位移的抗震设计方法。主要研究内容和结论如下:(1)提出一种由墙板和自复位耗能支撑组成,兼具高耗能和自复位性能的SPSW-SCEDB,通过分析其在侧向力下的工作原理,建立了刚度及承载力理论计算公式。基于有限元模型对SPSW-SCEDB的滞回性能及设计参数敏感性进行研究。结果表明,SPSW-SCEDB在墙板和支撑的共同作用下具备稳定且饱满的旗形滞回曲线,当支撑水平剩余恢复力能够完全克服墙板的受压承载力时,SPSW-SCEDB具有完全的自复位能力。根据模拟结果建立了墙板受压承载力理论计算公式。参数敏感性分析结果表明,墙板宽高比、高厚比和支撑摩擦力对SPSW-SCEDB滞回性能影响较大,是主要的设计参数,支撑预压力、支撑初始刚度及第二刚度可以设为定值以简化设计过程。(2)通过对1组碟簧装置、1组摩擦装置、2根自复位耗能支撑、4组仅带支撑试件、2组仅带墙板试件及采用不同墙板厚度、宽度及支撑摩擦力的SPSW-SCEDB试件进行低周往复加载试验,研究了碟簧装置、摩擦装置和支撑的复位性能、耗能性能及稳定性,分析了墙板和支撑的相互作用关系及主要设计参数对SPSW-SCEDB滞回性能的影响。试验结果表明,SPSW-SCEDB保持较高初始刚度、强度和耗能的同时,具备稳定的旗形滞回特性和良好的复位性能,验证了墙板与支撑的并联关系,通过公式预测的SPSW-SCEDB极限承载力略大于试验值。墙板为SPSW-SCEDB提供主要的耗能能力,支撑为SPSW-SCEDB提供完全的复位能力及辅助的耗能能力。SPSW-SCEDB设计参数对墙板面外变形没有明显影响,其耗能和屈服后刚度均随着墙板厚度和宽度的增大而增大,墙板宽度过大时会导致支撑倾角增大,不利于SPSW-SCEDB的承载及复位。当支撑水平剩余恢复力与墙板受压承载力的比值大于1.3时,SPSW-SCEDB的残余变形角小于0.5%,具有良好的自复位能力。支撑摩擦力对SPSW-SCEDB耗能有积极作用但影响小于墙板尺寸。(3)基于SPSW-SCEDB工作原理和试验结果,建立了可以考虑墙板栓接影响的混合杆系模型,与试验滞回曲线进行了对比验证,并基于模型对SPSW-SCEDB极限承载力公式进行了修正。建立了梁上的轴力、剪力、弯矩分布公式,利用正交试验研究了设计参数对弯矩分布的影响规律。结果表明,墙板厚度及支撑激活力对弯矩的影响大于墙板宽度、支撑初始刚度及第二刚度,较小的支撑激活力及较厚的墙板可以有效地保护支撑连接处梁段。基于SPSW-SCEDB试验结果及参数分析结果,建立了SPSW-SCEDB构件设计方法,给出了具体的设计流程及建议。(4)给出了在不同水准地震作用下SF-SCSPSW结构的抗震性能需求,在小震、中震、大震及特大震下结构需分别满足完全可使用、修理后可使用、保证生命安全及防止倒塌的状态,对位移角及残余变形角限值进行了说明。建立了直接基于位移的结构设计方法,给出了具体的设计流程,建议SPSW-SCEDB和框架梁柱分别承担75%和25%的层间剪力。分别设计并建立了8层和15层SF-SCSPSW结构,对其在小震、中震、大震及特大震作用下的结构响应进行分析。结果表明,两个结构中的SPSW-SCEDB均满足在小震、中震、大震及特大震下分别呈现弹性、轻度、中度及严重损坏的工作状态,框架梁在大震下保持弹性而在特大震下发生局部屈服,屈服均发生在支撑与梁交点和柱之间,框架柱则始终保持弹性状态。两个结构的层间位移、残余变形、梁柱应变响应均满足抗震性能需求,验证了设计方法的有效性。
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