冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙结构受力性能研究

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钢板剪力墙是20世纪70年代发展起来的一种可靠的抗侧力结构体系,与传统的钢筋混凝土剪力墙相比,具有延性好、抗震性能优越、自重轻、施工效率高、易修复、易拆除、可回收利用等优点。在水平荷载作用下,薄钢板剪力墙(高厚比大于150)屈曲后仍具相当大的屈曲后强度和延性,这种屈曲后强度源于拉力场作用机制,为钢板剪力墙提供稳定的承载力和抗侧刚度。由于薄钢板剪力墙出现明显的面外屈曲变形,导致力学性能方面存在一些缺陷,如:水平循环荷载作用下钢板滞回环“捏缩”现象、受力过程中产生的噪声和振动影响建筑的使用性能、拉力场效应会给竖向边缘构件带来不可忽略的附加弯矩。因此,为改善上述薄钢板剪力墙的不足,需要采取相应的构造措施来约束钢板的面外屈曲变形,例如采用钢板焊接加劲肋或钢板两侧加混凝土盖板等防屈曲措施来减少钢板的面外变形,使钢板具有更好的抗剪性能。防屈曲钢板剪力墙具有延性高、滞回耗能能力强、弹性抗侧刚度大、承载力高等优点,因此,对钢板剪力墙防屈曲构造的研究有重要意义。本文的主要研究内容如下:⑴基于课题组提出的主要由内嵌钢板、冷弯薄壁型钢、保温隔声材料和OSB板组成的集建筑功能与结构功能一体化的钢板剪力墙结构形式,进行了铰接框架-冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙试件的拟静力试验,分析了不同冷弯薄壁型钢屈曲约束形式的钢板剪力墙在循环荷载下的耗能能力、刚度退化、延性和承载能力等力学性能。⑵建立了铰接框架-冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙有限元模型,并就试件的破坏模式、骨架曲线和承载力进行了对比验证。基于与试验结果验证的有限元模型对冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙的屈曲性能进行分析,给出了冷弯薄壁型钢对钢板较大效益发挥约束作用的最小刚度比,提出了冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙的受剪弹性屈曲系数计算公式和弹性抗剪承载力设计方法。⑶进行了4个组合框架-冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙结构试件的拟静力试验,对试件的滞回性能、破坏模式、耗能能力、刚度退化和柱挠曲变形等进行了分析,并对铰接框架和组合框架结构试件的破坏模式进行对比分析,结果表明边缘框架的刚度对内嵌钢板的破坏模式有影响。⑷建立了组合框架-冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙有限元模型,并基于与试验结果验证的有限元模型进行了参数扩展分析,分析了方钢管混凝土柱轴压比、钢板强度、混凝土强度和柱柔度以及内嵌钢板强度、宽厚比和宽高比对组合框架-冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙结构承载性能的影响,并对组合框架与内嵌钢板的相互作用机理和内嵌钢板应力均匀性进行了研究分析,给出可以使冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙强度充分发挥的方钢管混凝土柱的最小刚度需求。⑸参考钢筋屈曲理论,结合冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙结构形式和冷弯薄壁型钢对钢板的屈曲约束机理,提出了一种适用于冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙结构的等效斜向交叉支撑简化分析模型,并将等效斜向交叉支撑简化分析模型与铰接框架和组合框架-冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙结构试件的骨架曲线进行对比分析,结果表明所提出的等效斜向交叉支撑简化分析模型是准确和一致的。
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