钢框架-钢板剪力墙震后加劲修复的性能研究

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钢框架-钢板剪力墙是一种分灾式易于修复的结构体系,其具备“先墙板,后框架”的理想破坏机制,内填墙板在结构中充当了保险丝的作用。在中震情况下,内填钢板发生屈曲变形,但框架仍能保持弹性,没有残余变形,结构仍然具备很高的安全储备。若此时更换或加固“保险丝”(内填墙板)将会是种方便且有效的修复方式。另一方面,对震后受损结构进行修复,有助于人们快速恢复正常的生产生活,同时也避免了拆除造成巨大的浪费。在此现实意义的背景下,本文将结合钢板剪力墙的性能特点,提出安装型钢加劲肋的修复方式。采用理论研究与有限元数值模拟相结合的方法,研究修复与非修复试件的抗震性能;从修复方式与待修复结构两方面进行变参分析;探究修复后框架柱的剪力与轴压变化。主要内容如下:(1)为确保模型建立的准确性,首先利用有限元软件ABAQUS依据试验进行数值模拟验证。结果表明:有限元计算结果的应力应变发展情况与试验现象吻合度较好,能反映试件的受力机制以及变形情况。两者的滞回曲线形状相似,有限元能模拟出捏缩现象。两者的骨架曲线吻合度高,屈服荷载、极限荷载以及初始刚度的差别较小,有限元模型能为后续研究提供可靠依据。(2)提出在墙板两侧锚固型钢加劲肋的修复方式,对三组加劲修复模型进行两阶段的拟静力反复加载,在加载Ⅰ阶段模拟结构一次受震损伤过程,之后利用“生死单元”进行修复,在加载Ⅱ阶段模拟结构二次受震,研究结构修复后的抗震性能,并与非修复试件进行比较,分析其修复效果。结果表明:结构在震损后进入弹塑性工作阶段,刚度大幅下跌。修复后,结构的初始刚度能恢复至受损之前。加劲肋能有效约束墙板的面外变形,改善滞回环的捏缩现象。相对非修复模型,修复模型的耗能性能、屈服荷载与极限承载力都得到明显提升。此修复方法还具备运输方便,安装快速,经济性好等诸多优点,是一种方便且有效的修复方式。(3)进行修复效果的参数分析,对“加劲方式”与“待修复结构”两方面进行变参。首先改变加劲肋的数目、截面形式以及安装方式。确定较为优秀的修复方式。再进一步对待修复试件的高厚比、内填板材料进行变参,分析修复方式的适用性与修复效果。结果表明:若增加加劲肋数目,减小墙板区格面积,结构在修复后的耗能性能提升更为显著,但极限承载力因柱脚过早破坏而提升有限。修复后的结构与“强框架、弱墙板”的设计理念相违背,柱脚早于墙板发生破坏,结构不满足“多道设防”要求。当加劲肋的加劲刚度达到门槛刚度后,选用不同截面形式的加劲肋对修复效果无明显影响。焊接固定的连接方式与螺栓锚固的修复效果相当,考虑其操作不便且易破坏墙板,不建议使用。对于不同高厚比的试件,加劲修复皆能提升结构抗震性能,高厚比越小则耗能与初始刚度提升效果越好。低屈服点钢板墙在非加劲情况下,墙板能均匀且充分地发生屈服,滞回曲线比较饱满,因此加劲肋无法充分发挥其改善墙板受力的提升作用,修复效果不佳。(4)对框架柱的受力进行理论分析,并利用数值模拟提取了柱上截面的剪力与轴压,分析了加劲前后的框架柱剪力与轴压的变化情况。结果表明:加劲后,柱最大剪力大幅降低,柱顶-柱底的剪力差减小;柱最大轴压小幅度提高,柱顶-柱底的压力差增大。其变化的原因为,墙板在加劲后受力机制发生了变化,墙板对柱的水平作用力会减少,而竖向作用力会增加。也正因如此,框架柱的内凹变形得以改善,避免出现沙漏现象。总体而言,加劲修复有利于改善本层框架柱的受力情况。加劲修复后,由于结构承载力提升以及整体刚度变大,柱脚的剪力与轴压会大幅增加。为防止柱脚过早破坏,需要在修复后对柱脚进行加固,避免违背结构“多道设防”的理念。
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