新型阻尼装置连接的装配式剪力墙结构损伤控制研究

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装配式剪力墙结构是建筑工业化发展中一种重要的结构体系。在保证装配式结构施工效率、保障预制构件连接性能安全可靠的前提下,提高结构整体的抗震能力、降低结构主体的塑性损伤的研究具有重要意义。本文基于装配式剪力墙结构的变形特点和损伤控制设计思想,研发了能够提高阻尼材料耗能效率的新型摩擦阻尼装置和粘弹性阻尼装置。从力学性能入手,通过理论、试验和数值模拟方法对新型阻尼装置展开了深入研究。进一步提出了采用阻尼装置连接的装配式剪力墙结构损伤控制设计方法,并基于构件损伤模型对装配式剪力墙结构抗震性能进行了评估。本文的主要研究内容如下:(1)从能量分析方法入手,基于装配式剪力墙结构的变形特点和杠杆原理,设计了一种可以放大墙体间相对位移的新型连接机构。通过分析该机构中各构件的相对运动关系,揭示了连接机构的放大原理。进一步结合摩擦和粘弹性耗能机制,分别研发了能够提高阻尼材料耗能效率的新型摩擦阻尼装置和粘弹性阻尼装置,并对新型阻尼装置的耗能效率与各构件关键参数之间的关系展开了讨论。在详细设计并优化阻尼装置中各构件尺寸后,建立了精细化有限元分析模型,对新型阻尼装置的机械性能及其耗能作用进行了验证。(2)根据新型阻尼装置的设计方案加工了试验试件,分别对连接机构的机械性能、摩擦阻尼装置和粘弹性阻尼装置的力学性能展开了试验研究,分析讨论了加载条件对新型阻尼装置性能的影响。试验结果表明,摩擦阻尼装置和粘弹性阻尼装置具有初始平面内刚度较大、对轻微变形敏感性强、阻尼性能稳定、耗能能力良好等优点。(3)运用有限元软件ABAQUS,在实体有限元分析模型的基础上,提出了摩擦阻尼装置和粘弹性阻尼装置的简化分析模型,并通过数值结果与试验数据对比,验证了简化模型的正确性。随后,利用UMAT子程序接口,完成了钢筋和混凝土材料模型的改进和编写,从而完善了预制剪力墙分析模型。通过将新型阻尼装置简化分析模型和预制剪力墙模型相结合,实现了装配式剪力墙结构的数值模拟。为了进一步说明新型阻尼装置在结构塑性损伤控制中的优势,对采用不同连接方式的预制墙体和结构进行了有限元分析。结果表明,新型阻尼装置具有高效的耗能能力,可以有效地保护预制墙体免受破坏,在减少主体结构塑性损伤方面起着重要作用。(4)基于阻尼装置与预制墙体间的能量分布规律,提出了采用阻尼装置的装配式剪力墙结构损伤控制设计目标。为了实现这一目标,构建了阻尼装置所提供的阻尼力与结构能量的关系方程,确定了墙体目标承载力下,阻尼装置在耗能效率最高时的设计强度值。讨论了墙体水平约束释放长度和阻尼装置初始刚度对其耗能效率的影响。在此基础上,提出了装配式剪力墙结构损伤控制设计方法。通过分析在地震动作用下不同设计参数的阻尼装置对装配式剪力墙结构能量分布情况的影响,证明了所提出设计方法的可行性。(5)为了实现装配式剪力墙结构的抗震性能评估,建立了基于材料层面的预制剪力墙、预制连梁以及新型阻尼装置的构件损伤模型。继而分别对采用等效现浇、摩擦阻尼装置、粘弹性阻尼装置连接的装配式剪力墙结构进行了地震易损性分析。并参考得到的结论,提出了装配式剪力墙结构混合连接方式的布置方案。
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