钢框架—预制混凝土抗侧力墙装配式结构体系受力性能研究

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发展预制装配式建筑是实现建筑节能减排和建筑产业化的有效途径,钢结构最大优点是可实现预制装配化,其中钢框架的应用最为广泛,但其抗侧刚度小,工程界常通过增设内填式墙体来提高结构的抗侧刚度,传统的抗侧力墙体存在构造复杂、装配化施工不便、维护成本高等缺点。为实现抗侧力墙体的预制装配化,降低墙体的承担竖向荷载,同时考虑楼板钢筋穿越问题和解决建筑开门窗洞口的需求,提出了一种新型钢框架—预制混凝土抗侧力墙装配式结构体系(Steel Frame-Prefabricated Concrete Lateral Resistance Wall FabricatedStructural System)(简称SPW体系),本文通过试验研究和理论分析对SPW体系的受力性能和计算理论进行了系统的研究,主要研究内容如下:(1)研发SPW体系并开展足尺模型试验研究设计和制作了4榀由钢框架与型钢混凝土抗侧力墙、钢筋混凝土抗侧力墙组成的单层单跨足尺模型,对其进行水平低周反复加载试验。对水平荷载作用下结构体系的破坏形式、承载能力、刚度退化、滞回特性、延性及耗能性能进行系统分析,得到墙体的破坏机理、框架与抗侧力墙体的传力路径以及内力分配关系。在试验研究的基础上,对SPW体系的抗震性态水平及性能指标的量化进行探索研究,总结分析结构的破坏顺序和破坏形态,提出五个性能水平的失效判别标准,并给出不同性能水平对应的侧移角限值建议。(2)揭示SPW体系受力性能的影响因素1)分析了抗侧力墙体与框架梁连接界面处的受力特性,对连接界面的抗剪栓钉、锚筋和型钢承担剪力和弯矩作用进行定性、定量分析,得到其分布规律;并对试验模型中的连接件类型提出改进措施,以保证抗侧力墙体与框架梁连接的可靠性。2)从弹性刚度、承载能力、滞回曲线、水平剪力和倾覆弯矩的分配关系、塑性耗能等方面,考察框架柱刚度、约束梁刚度、墙体高宽比、墙体边缘构件的含钢率等因素对结构体系协同受力性能的影响,得到各因素的影响规律。(3)建立SPW体系的计算理论1)建立结构层间抗侧刚度的计算模型,分别推导考虑梁约束效应的墙体和框架柱抗侧刚度计算公式,通过试验数据验证公式的合理性。并将抗侧力墙体简化为“交叉撑杆+竖向杆”的杆系模型,推导刚度等量代换关系,弹性阶段,结构体系可等代为杆系模型进行的内力分析和变形计算。2)基于连续化的方法,建立钢框架、约束梁和抗侧力墙体协同工作微分方程,提出为反映结构侧向刚度的重要参数λ,求解结构体系在三种典型水平荷载下的内力、位移计算方法。3)根据结构体系的破坏形态,提出不同破坏形态的受剪承载力分析模型和计算简图,建立受剪承载力的计算公式,通过试验数据验证公式的可靠性。(4)提出SPW体系合理刚度比的优化设计方法和设计建议1)以反应谱理论为基础,建立以基底地震剪力为目标函数,最大层间位移角为约束条件的数学优化模型,采用MATLAB高级语言编写优化程序,对钢框架、约束梁和抗侧力墙体的合理刚度比进行优化分析;并对刚度参数λ的影响因素进行分析,并以表格的形式给出不同抗震设防烈度下的特征周期Tg、刚重比η与λ最优值的关系,可供设计参考。2)以弹塑性层间位移的控制为基础,设计了45个钢框架、约束梁和抗侧力墙体不同刚度比的数值模型,其弹性抗侧刚度保持一致,采用弹塑性时程分析的方法,统计得出弹塑性层间位移随刚度参数λ的变化规律,研究表明:①当刚度参数λ为定值情况下,框架刚度CF与约束梁刚度CB的比值对各楼层的层间侧移峰值影响不大;②最大弹塑性层间位移δmax与刚度参数λ有关,在2≤λ≤3之间时,δmax存在最小值点,在此基础上提出刚度参数λ最优值的设计建议。本文的研究工作,论证了新型钢框架—预制混凝土抗侧力墙装配式混合结构体系的可行性和合理性,并为实际工程应用提供了试验依据和理论指导。最后,对需进一步研究的课题进行了讨论。
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