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传统的钢筋混凝土剪力墙由于截面大、自重大,减少了使用空间、增加了建造成本,采用钢板混凝土组合剪力墙可以在保证结构安全性的同时减小结构尺寸和自重。为了克服钢板混凝土组合剪力墙传统施工方法中现场焊接工作量大、质量难以保证等缺点,提高生产效率,使钢板混凝土组合剪力墙可以在高层和超高层建筑中得到广泛应用,本文提出了一种水平缝螺栓连接双层钢板混凝土组合剪力墙结构的新型结构形式。本文采用试验、有限元模拟、理论分析相结合的方法对该新型组合剪力墙的力学性能进行了深入研究,主要的研究工作及成果如下:
(1)提出了一种水平缝螺栓连接双层钢板混凝土组合剪力墙结构的新型结构形式,具有如下主要优点:①避免了中部墙体双层外钢板的大量现场焊接工作;②中部墙体的钢箱体可模块化生产与安装;③钢结构部分作为混凝土的模板、无模板工程,符合装配式结构的部分特点;④经济性好。
(2)进行了7个新型水平缝螺栓连接双层钢板混凝土组合剪力墙试件的拟静力试验,探究设置竖向通缝、不同水平缝形式螺栓连接等构造对新型组合剪力墙抗震性能的影响,结果表明,①新型组合剪力墙具有延性高、承载力和刚度稳定、耗能能力较强等优良的抗震性能,其主要力学指标均超过现行规范的要求;②与边缘构件钢管和墙体焊接试件相比,设竖向通缝试件承载力降低约25%,但延性提高;水平缝通过螺栓连接试件与水平缝通过焊接连接试件同等的承载力;③一字形缝与锯齿形缝螺栓连接试件具有基本相同的优良力学性能,企口形缝螺栓连接试件的力学性能相对差些;综合考虑制作的复杂程度,建议墙体钢板采用一字形螺栓连接形式。
(3)进行了9个考虑不同轴压比、上下层连接方式、边缘构件钢管厚度、约束拉杆等参数的一字形水平缝螺栓连接新型双层钢板混凝土组合剪力墙拓展拟静力试验,结果表明,①试件的变形能力和承载力随着轴压比的增大而减小,随着钢管厚度的增大而增大;上层螺栓连接、下层焊接的连接方式提高了试件的变形能力和承载力;约束拉条或约束拉杆对延迟钢板的过早局部屈曲、约束内填混凝土有较大作用;②水平荷载作用下,试件的边缘构件和墙身相对独立地工作,墙身纵向应变分布基本符合平截面假定。
(4)建立了新型双层钢板混凝土组合剪力墙试件的有限元模型,分析了该新型组合剪力墙在水平荷载作用下受力机理以及不同参数对其性能的影响,结果表明,①有限元模型能较好地模拟新型双层钢板混凝土组合剪力墙试件的力学性能,模拟计算结果与试验结果吻合较好;②连接螺栓群主要对试件的抵抗弯矩发挥作用,剪压区混凝土具有足够传递水平剪力的能力。设置竖向缝试件的边缘构件和墙身分别独自受力,不设置竖向缝试件的边缘构件和墙身协同受力;③试件的承载力随着混凝土强度、钢板屈服强度的增大而增大,随着剪跨比的增大而下降;轴压比由0.2增大至0.6时试件的承载力增大,之后,随着轴压比的增大而下降。
(5)基于试验和有限元分析研究结果,针对该新型组合剪力墙破坏时的受力特点和受力机理进行分析和总结,给出该新型组合剪力墙破坏时的横截面应力分布,根据力的平衡条件,推导出该新型组合剪力墙正截面承载力计算的公式;对现行相关受剪承载力计算公式进行修正,给出新型组合剪力墙的受剪承载力计算公式;比较了试件承载力计算结果和试验结果,两者吻合良好,所提的承载力计算方法可供实际工程设计参考。
(1)提出了一种水平缝螺栓连接双层钢板混凝土组合剪力墙结构的新型结构形式,具有如下主要优点:①避免了中部墙体双层外钢板的大量现场焊接工作;②中部墙体的钢箱体可模块化生产与安装;③钢结构部分作为混凝土的模板、无模板工程,符合装配式结构的部分特点;④经济性好。
(2)进行了7个新型水平缝螺栓连接双层钢板混凝土组合剪力墙试件的拟静力试验,探究设置竖向通缝、不同水平缝形式螺栓连接等构造对新型组合剪力墙抗震性能的影响,结果表明,①新型组合剪力墙具有延性高、承载力和刚度稳定、耗能能力较强等优良的抗震性能,其主要力学指标均超过现行规范的要求;②与边缘构件钢管和墙体焊接试件相比,设竖向通缝试件承载力降低约25%,但延性提高;水平缝通过螺栓连接试件与水平缝通过焊接连接试件同等的承载力;③一字形缝与锯齿形缝螺栓连接试件具有基本相同的优良力学性能,企口形缝螺栓连接试件的力学性能相对差些;综合考虑制作的复杂程度,建议墙体钢板采用一字形螺栓连接形式。
(3)进行了9个考虑不同轴压比、上下层连接方式、边缘构件钢管厚度、约束拉杆等参数的一字形水平缝螺栓连接新型双层钢板混凝土组合剪力墙拓展拟静力试验,结果表明,①试件的变形能力和承载力随着轴压比的增大而减小,随着钢管厚度的增大而增大;上层螺栓连接、下层焊接的连接方式提高了试件的变形能力和承载力;约束拉条或约束拉杆对延迟钢板的过早局部屈曲、约束内填混凝土有较大作用;②水平荷载作用下,试件的边缘构件和墙身相对独立地工作,墙身纵向应变分布基本符合平截面假定。
(4)建立了新型双层钢板混凝土组合剪力墙试件的有限元模型,分析了该新型组合剪力墙在水平荷载作用下受力机理以及不同参数对其性能的影响,结果表明,①有限元模型能较好地模拟新型双层钢板混凝土组合剪力墙试件的力学性能,模拟计算结果与试验结果吻合较好;②连接螺栓群主要对试件的抵抗弯矩发挥作用,剪压区混凝土具有足够传递水平剪力的能力。设置竖向缝试件的边缘构件和墙身分别独自受力,不设置竖向缝试件的边缘构件和墙身协同受力;③试件的承载力随着混凝土强度、钢板屈服强度的增大而增大,随着剪跨比的增大而下降;轴压比由0.2增大至0.6时试件的承载力增大,之后,随着轴压比的增大而下降。
(5)基于试验和有限元分析研究结果,针对该新型组合剪力墙破坏时的受力特点和受力机理进行分析和总结,给出该新型组合剪力墙破坏时的横截面应力分布,根据力的平衡条件,推导出该新型组合剪力墙正截面承载力计算的公式;对现行相关受剪承载力计算公式进行修正,给出新型组合剪力墙的受剪承载力计算公式;比较了试件承载力计算结果和试验结果,两者吻合良好,所提的承载力计算方法可供实际工程设计参考。