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过去几十年来,关于钢板剪力墙作为主要水平抗侧力体系的试验研究和数值分析揭示了其独特的表现,包括较大的弹性初始刚度、优异的变形能力、良好的塑性性能和稳定的滞回特性等。钢板剪力墙已成为一种非常具有发展前景的高层抗侧力体系,尤其适用于高烈度地震区建筑。
低屈服点钢材具有屈服强度低且变形性能强、延性好的特点,很适合作为建筑结构中的耗能装置(例如阻尼器)和耗能构件(例如钢板剪力墙、防屈曲支撑),在高层结构体系中,钢板剪力墙具有自重轻、延性好、耗能能力优异等优点。本文在搜集并分析国内外相关文献的基础上,提出了一种基于低屈服点钢材的新型钢板剪力墙结构,为了提高其承载力和侧向刚度,在低屈服点钢板剪力墙的对角交叉方向采用加劲肋予以加强。为了揭示低屈服点钢板剪力墙的耗能机理和破坏模式,尚需对其受力机理和耗能性能进行深入的理论和试验研究。
本文对钢板墙在水平力作用下的受力性能进行了理论分析,包括钢板的弹性屈曲、弹塑性屈曲以及剪切后屈曲性能,并用斜拉杆模型对钢板墙拉力带的受力过程进行了模拟。
在理论分析的基础上,本文开展了钢板剪力墙试验研究。首先,对5个低屈服点钢试件和3个Q235钢试件进行了材料力学性能试验,试验结果表明:武汉钢铁公司提供的低屈服点钢没有明显的屈服平台,低屈服点钢的屈服强度约为Q235钢材的0.5倍,抗拉强度约为Q235钢材的0.65倍,伸长率将近Q235钢材的1.5倍。然后,本文共开展了4个钢板剪力墙试件的低周反复荷载试验,分别为:非加劲Q235钢板剪力墙、加劲Q235钢板剪力墙、非加劲低屈服点钢板剪力墙和加劲低屈服点钢板剪力墙。试验揭示了钢板剪力墙的受力过程、变形开展和破坏机制,给出了滞回曲线、骨架曲线、耗能能力等一系列特性。试验结果表明:钢板剪力墙均具有较高的抗侧刚度和较好的延性;非加劲钢板剪力墙的滞回曲线存在较明显的捏缩效应,而对角交叉加劲肋的设置有效减小了曲线的捏缩,加劲钢板剪力墙具有更好的耗能能力;低屈服点钢板剪力墙比Q235钢板剪力墙具有更稳定饱满的滞回曲线,耗能效果更好;试验所得滞回曲线存在一定的滑移及捏拢,分析原因认为,这是加载装置本身的偏心、梁柱销轴连接处的空隙、螺栓的滑移以及钢板剪力墙平面外偏转等因素导致的。
基于理论分析与试验研究成果的基础上,本文运用大型有限元程序ANSYS模拟了4个钢板剪力墙试验试件的低周反复加载全过程,从滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力等几个方面对钢板剪力墙的抗震性能进行了较为全面的分析与研究,结果表明加劲低屈服点钢板剪力墙兼有低屈服点钢和加劲钢板剪力墙的优点,且具有更好的延性性能和更优的耗能能力。将本文的试验结果及其他学者的试验结果与相应的有限元计算结果进行对比,结果表明有限元模型能够准确地模拟低屈服点钢板墙的受力特性,进一步验证了采用有限元模型模拟对低屈服点钢板剪力墙进行分析研究的可行性。
通过有限元软件对加劲低屈服点钢板剪力墙的抗剪性能和滞回性能进行了参数化分析,分别考察了加劲肋材质、墙板高厚比、肋板刚度比、加劲肋宽厚比等参数对其抗剪性能和滞回性能的影响,得出并提炼了一批具有较大价值的结论,为今后同领域的相关工程设计与进一步研究提供主要参考依据。