高强混凝土-型钢组合剪力墙抗震性能试验及理论研究

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本文针对国内外剪力墙的研究现状,重点对高强混凝土—型钢组合剪力墙与内嵌聚苯板高强混凝土复合剪力墙的抗震性能进行研究,将试验手段、有限元数值模拟方法和理论分析结合起来。首先对两种类型的六榀剪力墙进行抗震性能试验研究,然后对剪力墙进行非线性有限元分析,并在此基础上进行剪力墙抗震性能影响因素的参数分析,最后提出两种类型剪力墙的承载力简化计算公式和恢复力模型。本文的具体研究工作和成果如下: (1)首次对高强混凝土_型钢组合剪力墙进行了低周反复荷载下的抗震性能试验研究,对其刚度及其衰减过程、承载力、延性、滞回特性、耗能能力、屈服机制、破坏特征等进行了较系统地分析,结果表明:型钢框架及斜向支撑对提高剪力墙的屈服荷载、极限荷载、开裂刚度和极限刚度都有重要作用,而且型钢框架及斜向支撑可以使剪力墙裂缝分布范围扩大,并分布得更为均匀;在此基础上,本文还将高强混凝土_型钢组合剪力墙与相应的普通强度混凝土剪力墙进行了对比,结果表明:各高强混凝土剪力墙的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载均比普通强度混凝土剪力墙的相应荷载要大,二者的破坏形态也基本相同,高强混凝土组合剪力墙与普通强度混凝土剪力墙相比,同样具有良好的延性。 (2)首次对配筋率不同的三榀内嵌聚苯板高强混凝土复合剪力墙进行了低周反复荷载下的抗震性能试验研究,对其刚度及其衰减过程、承载力、延性、滞回特性、耗能能力、屈服机制、破坏特征等进行了较系统地分析。结果表明:通过加设斜向支撑,剪力墙的滞回性能得到改善,随着配筋率的提高,其滞回曲线的饱满程度也随之提高;高强混凝土复合剪力墙的破坏形态与普通剪力墙的破坏形态基本相同,其受力机理也是与普通剪力墙相一致的。 (3)通过选取合理的单元和材料模型建立高强混凝土—型钢组合剪力墙的非线性有限元分析模型,对其进行了非线性有限元分析。模拟了三个剪力墙试件在单调荷载作用下的荷载—位移曲线,并与低周反复荷载作用下试验的骨架曲线进行了对比分析,对比分析结果表明,模拟曲线的结果与试验骨架曲线吻合较好。在此基础上,进一步分析了混凝土强度等级、轴压比、边柱纵筋配筋率、边柱型钢配钢率、型钢支撑配钢率、钢筋支撑配筋率、纵向分布钢筋配筋率、横向分布钢筋配筋率对剪力墙性能的影响。 (4)利用有限元分析软件对带有钢框架的内嵌聚苯板高强混凝土复合剪力墙进行了实体有限元模拟分析,研究高强混凝土复合剪力墙在单调荷载作用下的荷载一位移骨架曲线及其承载力,从数值分析角度进一步了解内嵌聚苯板高强混凝土复合剪力墙在单向水平荷载作用下的承载力、变形、开裂部位及破坏过程,并将计算所得的荷载—位移曲线与试验所得的骨架曲线进行比较,结果表明二者吻合较好。在此基础上,通过调整混凝土强度等级、轴压比、配筋率等参数,讨论其对高强混凝土复合剪力墙抗震性能的影响。 (5)在试验研究的基础上,通过参考现有规范规程及力学理论分析,给出了高强混凝土—型钢组合剪力墙的各项力学指标的计算公式,其中包括抗弯开裂荷载计算公式、抗弯极限承载力计算公式以及各阶段的刚度计算公式,用这些公式计算得到的结果与实测的结果吻合较好;根据试验曲线和理论公式建立了反复荷载作用下各高强混凝土组合剪力墙的恢复力模型,与试验结果吻合较好,能为整体结构的弹塑性地震反应分析提供依据。 (6)在试验研究和有限元分析的基础上,给出了内嵌聚苯板高强混凝土复合剪力墙的承载力和刚度的计算方法及公式:对高强混凝土复合剪力墙的刚度退化进行了分析,给出了卸载刚度及等效刚度的拟合公式,在此基础上,根据试验曲线和理论公式建立了反复荷载作用下高强混凝土复合剪力墙的恢复力模型,与试验结果进行对比,吻合较好。
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