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从德国引进的预制叠合剪力墙结构具有施工速度快、工业化程度高、绿色环保等优点,符合我国的可持续发展政策,并可以促进住宅产业化发展,因此国家正在大力推广此类结构。但该结构在欧洲国家的使用中并不考虑抗震设防,而我国地震较为频繁,且地震范围广、强度大,绝大多数地区的建筑需要进行抗震设计。随着技术的进步,建筑结构已基本满足抗震需求,震后快速恢复正常生活则成为了城市居民的新期望。因此可以从可恢复功能结构的角度进行预制叠合剪力墙的抗震设计。基于国内可更换结构的研究现状,并结合课题组多年来对预制叠合剪力墙的研究成果,本文提出了一种带可更换墙脚的叠合剪力墙。该结构在传统叠合板剪力墙的墙角处设置左右两个缺口,缺口处安放有可更换钢构件,通过预埋螺栓与叠合墙板连接。
为研究带可更换墙脚叠合剪力墙的抗震性能,完成墙体的低周反复试验研究和有限元分析,主要研究内容及成果如下:
(1)设计制作了一片带可更换墙脚的新型叠合剪力墙和一片传统的叠合剪力墙,并进行了可更换墙脚更换前后的低周反复试验,系统地分析后得到了该墙的破坏形态、抗侧承载力、变形能力、刚度退化、耗能能力和残余变形等抗震性能。与传统的叠合剪力墙的低周反复试验结果进行对比,发现两片剪力墙的破坏形态有些类似,但新型叠合剪力墙应力集中部分出现了斜向上发展的裂缝,损伤集中部位为可更换墙脚高度范围内以及剪力墙底部削弱区。相比于传统的叠合剪力墙,新型叠合剪力墙的承载力下降了28.57%,但变形能力有提升,耗能能力在墙脚构件更换前高于传统的叠合板混凝土剪力墙。新型的叠合剪力墙在墙脚构件更换前的残余变形较小,能够完成墙脚构件的更换。
(2)建立试件的有限元模型,并进行单调加载的模拟。模拟得到的骨架曲线与试验结果相比,模拟的刚度偏大,但曲线趋势一致,承载力相近。计算得到的混凝土的等效应变云图和等效应力云图分布能较好反应出墙体的破坏形态,与试验结果较为吻合。由此可以说明,有限元模型的建立是较为合理的。
(3)在有限元模型的基础上,通过改变轴压比、波形钢板厚度、钢板钢材等级、波形钢板高度对带可更换墙脚叠合剪力墙进行参数分析。计算结果表明:轴压比、波形钢板厚度、波形钢板高度对于墙体的抗震性能影响较为明显。轴压比和可更换构件波形钢板高度增加,墙体的峰值承载力、极限承载力随之增大,延性减小;而过高轴压比和不合适的波形钢板高度对墙体抗震不利。数值模拟的结果显示,增大波形钢板的厚度能提高墙体的刚度和承载力,但超过一定范围后,提升幅度有所降低。
(4)为改善墙体的破坏形态和承载力,提出了在墙体底部附加钢板的构造设想。通过有限元分析,结果表明在试件的非更换区域附加钢板可以有效的改善墙体的破坏形态,初始刚度和承载力得到了大幅度提升。
为研究带可更换墙脚叠合剪力墙的抗震性能,完成墙体的低周反复试验研究和有限元分析,主要研究内容及成果如下:
(1)设计制作了一片带可更换墙脚的新型叠合剪力墙和一片传统的叠合剪力墙,并进行了可更换墙脚更换前后的低周反复试验,系统地分析后得到了该墙的破坏形态、抗侧承载力、变形能力、刚度退化、耗能能力和残余变形等抗震性能。与传统的叠合剪力墙的低周反复试验结果进行对比,发现两片剪力墙的破坏形态有些类似,但新型叠合剪力墙应力集中部分出现了斜向上发展的裂缝,损伤集中部位为可更换墙脚高度范围内以及剪力墙底部削弱区。相比于传统的叠合剪力墙,新型叠合剪力墙的承载力下降了28.57%,但变形能力有提升,耗能能力在墙脚构件更换前高于传统的叠合板混凝土剪力墙。新型的叠合剪力墙在墙脚构件更换前的残余变形较小,能够完成墙脚构件的更换。
(2)建立试件的有限元模型,并进行单调加载的模拟。模拟得到的骨架曲线与试验结果相比,模拟的刚度偏大,但曲线趋势一致,承载力相近。计算得到的混凝土的等效应变云图和等效应力云图分布能较好反应出墙体的破坏形态,与试验结果较为吻合。由此可以说明,有限元模型的建立是较为合理的。
(3)在有限元模型的基础上,通过改变轴压比、波形钢板厚度、钢板钢材等级、波形钢板高度对带可更换墙脚叠合剪力墙进行参数分析。计算结果表明:轴压比、波形钢板厚度、波形钢板高度对于墙体的抗震性能影响较为明显。轴压比和可更换构件波形钢板高度增加,墙体的峰值承载力、极限承载力随之增大,延性减小;而过高轴压比和不合适的波形钢板高度对墙体抗震不利。数值模拟的结果显示,增大波形钢板的厚度能提高墙体的刚度和承载力,但超过一定范围后,提升幅度有所降低。
(4)为改善墙体的破坏形态和承载力,提出了在墙体底部附加钢板的构造设想。通过有限元分析,结果表明在试件的非更换区域附加钢板可以有效的改善墙体的破坏形态,初始刚度和承载力得到了大幅度提升。