【摘 要】
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防屈曲钢板剪力墙是一种性能优越的抗侧力构件,通过在传统非加劲钢板剪力墙的两侧布置平面外屈曲约束构件使结构整体耗能能力和承载力进一步提升,同时避免了薄钢板平面外过早屈曲。平面外约束构件尺寸的确定是防屈曲钢板剪力墙设计的关键问题,平面外约束构件尺寸过小,则无法有效约束钢板,影响剪力墙的抗震性能;平面外约束构件尺寸过大,则会减少建筑使用面积,增加工程造价。因此,有必要通过研究确定平面外约束构件合理的计算
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“高性能钢结构体系研究与示范应用”子课题(2016YFC0701202);
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防屈曲钢板剪力墙是一种性能优越的抗侧力构件,通过在传统非加劲钢板剪力墙的两侧布置平面外屈曲约束构件使结构整体耗能能力和承载力进一步提升,同时避免了薄钢板平面外过早屈曲。平面外约束构件尺寸的确定是防屈曲钢板剪力墙设计的关键问题,平面外约束构件尺寸过小,则无法有效约束钢板,影响剪力墙的抗震性能;平面外约束构件尺寸过大,则会减少建筑使用面积,增加工程造价。因此,有必要通过研究确定平面外约束构件合理的计算方法。以往研究虽提出多种形式的平面外约束构件,并对其有效性进行验证,但未能从受力机理上解释钢板与平面外约束构件之间的相互作用原理,钢板平面外作用力的物理意义不明确,同时面外部分约束和面外完全约束防屈曲钢板剪力墙的分析与设计相互独立,一定程度上限制了防屈曲钢板剪力墙的应用。本文将从防屈曲钢板剪力墙中钢板和平面外约束构件的相互作用机理入手,建立防屈曲钢板剪力墙简化分析模型,得到适用于部分约束防屈曲钢板剪力墙和完全约束防屈曲钢板剪力墙的平面外作用力和平面内抗剪承载力的计算方法以及平面外约束构件的设计方法。论文主要工作如下:(1)确定防屈曲钢板剪力墙分析模型参数范围,合理简化防屈曲钢板剪力墙分析模型,通过平面外约束条件分析提出不同工况下的钢板屈曲模态,建立考虑约束构件数量、钢板高阶屈曲变形、平面外缝隙等因素影响的防屈曲钢板剪力墙分析模型。从理论上分析钢板与面外约束构件和边缘约束构件的相互作用机理,提出考虑平面外约束条件由非加劲到部分约束再到完全约束的钢板剪力墙平面外作用力和平面内抗剪承载力计算方法。实现非加劲钢板剪力墙、部分约束防屈曲钢板剪力墙和完全约束防屈曲钢板剪力墙设计方法的统一。(2)进行7榀铰接框架-防屈曲钢板剪力墙的抗震性能试验,考虑剪力墙面外约束条件由非加劲到部分约束再到完全约束的连续变化过程,研究往复水平荷载和单向推覆荷载作用下防屈曲钢板剪力墙的力学性能;通过在连接螺栓上粘贴应变片测量钢板与平面外约束构件的相互作用力,分析防屈曲钢板剪力墙的平面外相互工作机理,为防屈曲钢板剪力墙理论分析、有限元模拟和设计方法提供试验依据。试验结果证明,提出的新型部分约束防屈曲钢板剪力墙具有较高的承载力、良好的延性和优越的耗能能力。(3)采用有限元软件Abaqus建立防屈曲钢板剪力墙的分析模型,模型可以考虑连接螺栓、接触面摩擦、材料非线性、初始几何缺陷等多种影响因素,并利用试验结果验证模型的合理性。在此基础上分析钢板与面外约束构件的摩擦作用对试件滞回性能的影响,研究平面外缝隙宽度、区格高厚比、钢板高厚比、钢板跨高比和面外约束构件布置方向等参数对防屈曲钢板剪力墙平面外作用力和滞回性能的影响规律。利用有限元分析结果并结合试验结果修正平面外作用力和抗剪承载力的计算公式,扩大公式的适用范围。分析结果表明,部分约束防屈曲墙的平面外作用力随区格高厚比减小而增大,完全约束防屈曲墙的平面外作用力随缝隙增加先快速提高,达到峰值后逐渐降低。(4)分析平面外约束构件受力性能,提出部分约束和完全约束防屈曲钢板剪力墙平面外约束构件的简化设计方法。通过有限元分析平面外约束构件刚度变化对防屈曲钢板剪力墙滞回性能的影响,给出完全约束构件和部分约束构件的刚度限值。针对传统等代模型进行改进,提出一种适用于平面外约束条件由无约束到部分约束再到完全约束的防屈曲钢板剪力墙等代模型,确定模型的承载力计算方法和加卸载规则,使之能较好模拟防屈曲钢板剪力墙的承载力和耗能能力,并用试验结果验证等代模型的合理性。实现了非加劲钢板剪力墙、部分约束防屈曲钢板剪力墙和完全约束防屈曲钢板剪力墙等代模型的统一。
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