装配整体式剪力墙结构抗震性能与设计方法研究

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装配整体式剪力墙结构作为装配式混凝土结构体系的一种常用结构形式,由预制混凝土剪力墙构件通过可靠的连接方式,如现场后浇混凝土、套筒和水泥基灌浆料等形成整体的装配式结构,主要用于住宅建筑。然而,装配式建造工艺形成的薄弱部位对高烈度地区装配整体式剪力墙结构抗震性能的影响如何,与现浇剪力墙结构抗震性能的差异是什么,以及“等同现浇”的设计理念如何应用,是此类结构在高烈度地区推广应用的关键。本文首先对预制剪力墙纵向钢筋套筒灌浆连接性能进行分析;根据相似理论,设计制作了1/5缩尺比例的装配整体式剪力墙结构和对比分析的现浇剪力墙结构,通过地震模拟振动台试验研究了二者的动力特性和抗震性能,并在Open Sees分析平台对剪力墙结构进行了非线性动力分析,提出了剪力墙结构的性能水平划分标准、量化评价指标及损伤模型和装配整体式剪力墙结构不同于现浇剪力墙结构的设计要点。本文的主要研究工作如下:1.预制墙板纵向钢筋连接性能是装配整体式剪力墙结构连接技术的关键。通过钢筋套筒灌浆连接拉拔试验,研究了锚固长度、灌浆料强度、钢筋直径和套筒材料四种因素对其连接性能的影响,分析了试件的典型破坏形态及各因素对试件强度的影响规律,最终根据其受力机理,提出了此类连接的锚固长度计算公式。2.考虑装配整体式剪力墙结构的建造工艺,根据相似理论,设计制作了1/5比例的装配整体式剪力墙模型结构。通过振动台试验,分析了装配整体式剪力墙结构的裂缝形态和破坏机理,频率、振型等动力特性,加速度、位移等地震响应,得出以下结论:其典型裂缝形态为预制墙板底部或顶部叠合连梁的水平裂缝;预制墙板连接部位存在初始损伤,导致首个地震工况作用下,其频率降低幅度较大;在名义PGA为0.035g~0.14g阶段,其地震响应随加速度峰值的增大而增大,0.14g之后,各参数呈现明显的非线性特性。3.通过振动台试验研究,对比分析了装配整体式剪力墙结构与现浇剪力墙结构抗震性能的异同,包括整体结构裂缝形态、破坏机理、动力特性和地震响应等参数,得出以下结论:装配整体式结构典型裂缝为叠合连梁部位的水平裂缝,而现浇结构为连梁端部形成塑性区域;前者初始频率在首个地震工况作用下,下降幅度比现浇结构的大,但阻尼比和振型系数变化规律基本一致;随着名义PGA的增大,装配整体式剪力墙结构的加速度放大系数降低幅度小于后者;现浇结构因塑性阶段第4层墙体损伤严重,导致上部的楼层位移大于装配整体式结构;二者的层间位移角量值均满足现行结构设计规范的要求;其他地震响应系数,如地震作用、基底剪力系数、倾覆力矩系数、滞回耗能、等效抗侧刚度等在强震作用下均呈现明显的非线性特性。二者地震响应的差异表明,装配整体式剪力墙结构的部分设计参数应区别于现浇剪力墙结构。4.在Open Sees分析平台,编制了剪力墙原型结构的分析程序,进行了非线性动力分析,对比分析了剪力墙原型结构与现浇模型结构和装配整体式模型结构对应的原型结构的加速度、位移时程曲线,加速度放大系数、楼层位移等量值及滞回性能,说明忽略接缝非线性假定,按“等同现浇”的有限元模型在弹性阶段计算结果匹配较好,但在塑性阶段存在一定误差。5.基于振动台试验的研究结果,提出了装配整体式剪力墙结构和现浇剪力墙结构地震破坏等级的划分标准和性能水平;给出了基于层间位移角和损伤指数的性能水平量化标准及双参数损伤计算模型;结合试验现象分析了全工况地震作用下结构的损伤情况,提出了基于加速度峰值的损伤指数计算公式,供相关结构设计借鉴。基于装配整体式剪力墙结构和现浇结构地震响应的差异,总结归纳了装配整体式剪力墙结构的设计要点。
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