钢筋桁架双层钢板内填混凝土组合剪力墙抗震性能研究

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为了解决现有形式的钢混组合剪力墙施工困难、造价高昂和力学性能发挥不充分等问题,本文在保证组合剪力墙基本力学性能的前提下,从施工方便且经济性好的角度出发,提出钢筋桁架双层钢板内填混凝土组合剪力墙。本文首先进行了6个新型钢筋桁架双层钢板内填混凝土组合剪力墙试件的低周反复荷载试验,分析了关键参数对新型钢筋桁架双层钢板内填混凝土组合剪力墙的基本力学性能和抗震性能的影响。然后在试验基础上,使用有限元软件ABAQUS建立了新型组合剪力墙的微观有限元模型,并拓展参数进一步研究了钢筋桁架直径、钢筋桁架布置方式、混凝土强度、钢板厚度等对新型组合剪力墙力学性能和破坏机理的影响。随后对新型组合剪力墙的压弯承载力计算方法进行了初步探究。最后,使用Perform-3D建立了能反映新型组合剪力墙整体结构抗震性能的有限元模型,并通过对比带钢筋桁架新型组合剪力墙结构与普通组合剪力墙结构在强震作用下的整体指标和材料损伤参数,全面评估钢筋桁架双层钢板内填混凝土组合剪力墙结构体系的抗震性能。本文开展的工作和得出结论主要有以下方面:(1)设计了6个不同钢筋桁架布置间距、布置方向、暗柱内侧钢板是否连续、是否布置钢筋桁架的新型组合剪力墙,通过低周反复试验,研究了不同参数对新型组合剪力墙抗震性能的影响。结果显示,设置了钢筋桁架的组合剪力墙承载力提高13.5%~23.2%,抗侧刚度提高6.3%~15.7%,极限位移增大6.6%~39%,滞回耗能提高5.86~6.18倍,具有良好的抗震性能;钢筋桁架间距从200mm缩小至150mm和100mm,试件峰值承载力分别提高3.5%和9.1%,延性分别提高4.85%和26.49%、滞回耗能分别提高33.8%和84.1%,钢筋桁架布置间距越密对组合剪力墙抗震性能提升越显著;钢筋桁架纵向或横向布置对承载力影响不大,但纵向布置的试件峰值位移角、极限位移角、延性和耗能分别增大8.6%、27%、10.6%和7.6%,钢筋桁架纵向布置组合剪力墙延性和耗能能力更强。(2)基于试验结果,使用ABAQUS对实验中6片新型组合剪力墙进行了模拟,模拟结果与试验结果吻合良好。随后进一步分析了钢筋桁架直径、暗柱钢板厚度、墙身钢板厚度、混凝土强度等级、钢筋桁架布置方式等对新型组合剪力墙抗震性能的影响。结果表明,当暗柱钢板厚度分别提高至5mm和6mm时,承载力提高10.7%和15.7%,但随着暗柱钢板厚度的增加,承载力的提高幅度逐渐减小,经济性能下降;混凝土强度等级由C30提高至C40、C50,组合剪力墙的峰值荷载分别提高了13.58%和35.94%,但同时延性下降了4.63%和8.44%;钢筋桁架直径由4mm提高至6mm、8mm,组合剪力墙的承载力提升不大,但峰值位移分别增大了7.69%和15.38%,极限位移分别增大了4.76%和9.52%,组合剪力墙变形性能和延性有提高;钢筋桁架梅花式布置方式能够延缓试件的强度退化,极限位移增大3.39%~4.55%,且能显著减小剪力墙钢板的屈曲范围。基于平截面假定的新型组合剪力墙压弯承载力计算方法有一定参考意义。(3)以一栋框架-核心筒结构为基础,使用Perform-3D对比研究了普通组合剪力墙结构和带钢筋桁架新型组合剪力墙结构在罕遇地震作用下的抗震性能,结果表明虽然钢筋桁架新型组合剪力墙结构的顶点位移和基底剪力相比普通组合剪力墙结构分别增大了16.59%和21.25%,但平均最大层间位移角减小了5.45%,且沿楼层分布更均匀;在材料损伤控制方面,钢筋桁架新型组合剪力墙结构的剪力墙损伤数量减少88%,说明钢筋桁架双层钢板内填混凝土组合剪力墙强震抗震性能更优,提高强震作用下框架-核心筒高层结构安全度。
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