箱板式钢结构住宅组合加劲钢板墙抗震性能及隔声性能研究

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近年来,钢结构建筑以其绿色环保且结构性能优良的特点被不断推广应用。箱板式钢结构住宅是一种由带肋钢板直接作为承重墙(简称加劲钢板墙SSPW)和楼板的箱式结构,针对加劲钢板墙存在滞回捏缩严重、面外变形大和刚度退化快等不足,本文提出了一种组合加劲钢板墙结构形式,它是由加劲钢板墙和网格加劲板螺栓连接而成,加劲钢板墙可以承受水平力和竖向力,而网格加劲板主要作为面外约束支撑,其与边缘构件之间留有一定间隙,不参与面内受力,且网格加劲板上开大螺栓孔能与钢板之间相互滑移,能有效改善墙体钢板的面外变形,提高结构抗侧刚度和耗能能力。采用试验研究和有限元分析相结合的方法,研究了组合加劲钢板墙的受力机理和破坏模式,并基于试验和有限元结果,提出了简化分析模型和承载力计算方法,为其设计应用提供参考;其后,分析了加劲钢板复合墙的隔声性能,研究了四种材料厚度对其隔声性能的影响规律,提出了隔声设计建议,研究内容和研究结果如下:(1)设计制作了3个组合加劲钢板墙试件,各个组合加劲钢板墙的构造区别为网格加劲板与加劲钢板墙之间是否可以滑移,及有无L型加劲肋;对3片墙体进行了水平低周反复加载试验研究,分析了三种钢板墙的侧向刚度及退化、承载力退化系数、延性系数、等效粘滞阻尼系数等指标,研究了网格加劲板、网格加劲板与加劲钢板墙之间能否相对滑动、L型加劲肋对加劲钢板墙抗震性能的影响,结果表明:网格加劲板能为钢板面外提供较强的面外支撑作用,可显著提高加劲钢板墙的抗侧刚度和承载力,改善滞回环捏缩效应;网格加劲板与墙体钢板之间相对滑动的机制,赋予了加劲钢板墙极强的耗能能力、良好的延性和优良的承载力稳定性;L型加劲肋能增加钢板面外约束,提高结构刚度。三种组合加劲钢板墙中,可滑移试件的初始刚度最大,承载力退化最小且相对累计耗能最大。(2)采用ABAQUS软件模拟了组合加劲钢板墙拟静力循环加载试验,并与试验结果对比,结果表明:有限元模拟得到的滞回曲线、骨架曲线和破坏情况与试验结果吻合良好。由于有限元模型中约束条件更为理想且螺栓简化和无加载偏心,因此承载力和刚度会偏大。(3)通过ABAQUS软件,研究了钢板高厚比、L型肋和T型肋的肋板刚度比、螺栓排布形式四类参数对组合加劲钢板墙极限承载力的影响,研究结果表明:板高厚比对承载力影响十分显著,较厚板的抗侧刚度和极限承载力明显大于薄板;两种肋板刚度比对极限承载力的影响较小,L型加劲肋的数量多,对板的面外约束作用较强,而T型加劲肋的数量少,对承载力影响较小。螺栓排布形式对承载力的影响较大,螺栓个数越多且排布紧密时,极限承载力越高。四类参数中,高厚比对极限承载力的影响最显著,其为关键参数。(4)通过试验和有限元分析,揭示了组合加劲钢板墙的破坏机制:由于网格加劲板与加劲肋的面外约束作用,原本属于薄板(?>150)的墙体钢板受力性能等同于中厚板或厚板;三种组合加劲钢板墙的破坏形式以受剪屈曲和部分截面受剪屈服共同作用的形式,都未达到全截面屈服状态。针对组合加劲钢板墙的破坏形式建立简化分析模型,考虑钢板高厚比的影响和全截面受剪屈服情况,给出了抗剪承载力系数,在此基础上,考虑滑移的影响,给出了滑移折减系数,并提出抗剪极限承载力计算公式。(5)依据规范对加劲钢板复合墙进行了隔声试验研究,并对其进行了隔声性能评价,结果表明:加劲钢板复合墙有优良的隔声性能,其建筑构件空气声隔声性能分级为9级。通过LMS Virtual Lab声学有限元软件,验证了直接声振耦合方法计算金属面夹芯板的隔声量是准确有效的。基于正交试验方法和有限元方法,分析了四种构件的厚度对加劲钢板复合墙隔声量的影响规律,结果表明:在中低频段内(20Hz~500Hz),隔声量与硅酸钙板厚度、纤维水泥板厚度、岩棉-A厚度和岩棉-B厚度成正比关系,岩棉-B厚度对隔声量有主要影响。而在中高频段内(500Hz~3150Hz),隔声量与硅酸钙板厚度和岩棉-B厚度成正比关系,与纤维水泥板厚度和岩棉-A厚度成反比关系,岩棉-A厚度对墙体隔声量有主要影响。且由权重值分析可知:岩棉-A厚度和岩棉-B厚度对中低频段和中高频段隔声量的影响都较大。并根据隔声试验和正交试验分析结果,提出了隔声设计建议。
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