双波纹钢板混凝土组合剪力墙抗震性能及设计方法研究

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双波纹钢板混凝土组合剪力墙是一种全新的组合剪力墙结构,由双层波纹钢板、边缘约束钢管柱通过对拉螺栓、栓钉连接及内填混凝土组合而成,作为抗侧和竖向承载力的主要构件,形成一种以一字型、L型、T型等主要构造形式的双波纹钢板混凝土组合剪力墙,具有优良的力学性能、优越的抗震性能、良好的抗侧性能、便捷的装配性能及良好的应用前景等优点,未来可广泛应用于超高层钢结构建筑、装配式钢结构住宅及工业建筑等领域。本文针对双波纹钢板混凝土组合剪力墙这种新型抗侧力体系的抗震性能进行了研究,以轴压比、剪跨比、波纹类型、波纹方向、栓钉间距以及有无对拉螺杆为变化参数,共设计35个1:3比例的双波纹钢板混凝土组合剪力墙试件,进行低周反复荷载试验。其中13个一字形双波纹钢板混凝土组合剪力墙试件和2个平钢板对照试件,10个L型双波纹钢板混凝土组合剪力墙试件,10个T形双波纹钢板混凝土组合剪力墙试件。研究了双波纹钢板组合剪力墙在低周反复荷载作用下的破坏过程、破坏形态及破坏模式,并比较三者的异同。同时,研究了各变化参数对双波纹钢板组合剪力墙的滞回特性、承载能力、位移延性、强度退化、刚度退化及耗能能力等抗震性能指标的影响。研究发现:(1)双波纹钢板混凝土组合剪力墙破坏形态主要有压屈破坏、压弯破坏及约束失效破坏三种。一字形试件的破坏形态主要受轴压比、钢板类型、连接构件和剪跨比的影响,L、T形试件的破坏形态主要受波纹钢板类型、轴压比、约束钢管柱设置和剪跨比的影响。(2)增大轴压比,试件的滞回曲线更饱满、极限承载力更高、初始抗侧刚度提高以及耗能能力增强,但同时强度退化加快且延性降低。(3)增大剪跨比,对一字型墙体,试件的滞回曲线更饱满,强度退化速率减缓,延性提高较小,但极限承载力和刚度均降低,峰值后等效粘滞阻尼系数更高,而累积耗能则呈相反趋势;对L、T型墙体,虽试件的滞回曲线更饱满,但极限承载力、抗侧刚度和初始环线刚度均降低,而强度退化、延性、耗能等指标受影响相对较小。(4)相比平钢板试件,波纹钢板试件的滞回曲线更饱满且下降缓慢,延性和耗能更优,且小剪跨比时后者的极限承载力提高明显,而刚度退化相差不大;波纹尺寸对试件抗震性能指标影响较小,而波纹方向影响较大。相比横向波纹试件,竖向波纹试件的极限承载力、抗侧刚度、延性和耗能更优,强度退化程度更缓慢。波纹尺寸改变主要影响试件的变形能力和耗能,相比窄波纹试件,宽波纹试件延性更优,但耗能能力降低。(5)无连接构件试件的初始刚度较大,在受力破坏过程中其刚度退化速率最快,不同形式的连接构件中,刚度性能改善能力从强到弱的顺序是:栓钉+对拉螺杆、对拉螺杆、栓钉。无连接构件试件的等效粘滞阻尼系数总体上是要大于设置连接构件试件的,设置对拉螺杆试件的等效粘滞阻尼系数是小于设置栓钉试件的;同剪跨比下无连接构件试件的总耗能能力大于设置连接构件的,设置栓钉的试件总耗能能力强于对拉螺杆的试件。(6)设置约束方管柱可提升试件的承载力、延性和耗能,强度和刚度退化程度得到显著减缓。增大翼缘宽度,试件的承载力提升,且小剪跨比试件的提升效果更有效。此外,试件的强度退化程度和受压翼缘的刚度退化程度减缓,而延性受影响不大。(7)基于有限元软件ABAQUS,分别建立了三种截面形式的剪力墙模型,对剪力墙在水平低周反复荷载下的力学行为进行模拟计算,计算结果与模拟结果吻合较好,表明ABAQUS数值模拟具有可行性。同时,建立模型,用以拓展轴压比、墙肢高厚比、剪跨比及截面含钢率(钢管和钢板含钢率)四个参数对剪力墙抗震性能的影响规律,进一步揭示该种新体系结构在水平反复荷载作用下的抗震性能。(8)基于全截面塑性假设,推导了双波纹钢板混凝土组合剪力墙正截面弯曲承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。同时,明确了关键设计参数取值范围,给出了关键配置参数和相关构造要求的设计建议,为后续的标准规范编制和工程设计提供了相关依据和借鉴。
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