方钢管混凝土边框—联肢钢板剪力墙结构的抗震性能试验研究与有限元分析

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将两组采用方钢管混凝土边框的钢板剪力墙通过钢连梁连结,可组成方钢管混凝土边框-联肢钢板剪力墙结构。该结构可充分发挥钢管混凝土优异的竖向抗压性能和内嵌钢板墙的抗侧能力,具有竖向承载力高、水平抗侧刚度大、耗能能力强、延性好等优点,适用于高烈度地区的高层或超高层建筑。本文采用试验研究和数值分析相结合的方法,对方钢管混凝土边框-联肢钢板剪力墙结构的抗震性能进行研究。主要内容包括以下方面:(1)设计制作了2个1/3比例的方钢管混凝土边框-联肢钢板剪力墙试件,进行低周往复荷载试验研究。两个试件的连梁与柱子分别采用全焊接连接节点和穿芯螺栓-端板连接节点。分析了结构的滞回性能、耗能能力、延性、刚度退化及承载力退化等抗震性能指标。试验结果表明,方钢管混凝土边框-联肢钢板剪力墙具有优异的抗震性能。内嵌钢板剪力墙和钢连梁作为结构的“第一道抗震防线”,首先产生塑性变形耗散能量,随后墙肢框架梁端部屈服形成塑性铰,最后柱脚鼓曲形成塑性铰。采用穿芯螺栓-端板钢连梁连接节点的联肢钢板剪力墙具有更好的延性和耗能能力。(2)采用有限元软件ABAQUS 6.13对2个试验试件进行了精细化数值模拟分析。数值分析结果与试验结果吻合较好。针对足尺模型研究了内嵌钢板剪力墙的加劲肋形式、钢板剪力墙屈服强度、钢连梁腹板形式和内嵌钢板剪力墙的高厚比等对联肢钢板剪力墙受力性能的影响。结果表明:斜十字槽钢加劲联肢钢板剪力墙具有良好的受力性能和经济效益;低屈服点钢板剪力墙的应用可使墙板较早参与耗散地震能量,与钢连梁一并起到结构整体抗震“第一道防线”的作用;波纹腹板钢连梁可减少焊接工作量和焊接热影响,避免钢连梁腹板在往复作用下发生开裂破断,受力性能与传统钢连梁相当;建议内嵌薄钢板墙的高厚比合理取值区间为400~500,可使联肢钢板剪力墙整体抗侧更加高效和经济。(3)对7组共12个方钢管混凝土边框-联肢钢板剪力墙模型进行了推覆分析和滞回加载分析,研究了联肢钢板剪力墙的合理耦联率。结果表明,当联肢钢板剪力墙的耦联率为0.35~0.43时,联肢钢板剪力墙具有较强且稳定的耗能能力,钢连梁的塑性耗能较为充分。(4)对5组共25个方钢管混凝土边框-联肢钢板剪力墙模型进行了推覆分析和滞回加载分析,研究了连梁破坏形式对结构性能的影响。结果表明,连梁发生弯剪型和弯曲型破坏的联肢钢板剪力墙承载力接近。当耦联率小于0.356时,对于联肢钢板剪力墙的前期耗能和初始抗侧刚度而言,采用剪切型钢连梁比弯曲型钢连梁表现更好。但总体而言,弯曲型钢连梁联肢钢板剪力墙整体耗能能力优于剪切型钢连梁联肢钢板剪力墙。
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