鋼框架-預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻裝配式結(jié)構(gòu)體系受力性能研究

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1、分類號:TU310710-2011028003博士學(xué)位論文鋼框架-預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻裝配式結(jié)構(gòu)體系受力性能研究吳函恒導(dǎo)師姓名職稱周天華教授申請學(xué)位級別工學(xué)博士學(xué)科專業(yè)名稱結(jié)構(gòu)工程論文提交日期2014年1月05日論文答辯日期2014年6月09日學(xué)位授予單位長安大學(xué)萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)MechanicalBehaviorResearchonSteelFrame-PrefabricatedConcreteLateralResistanceWallFabricatedStructuralADissertationSubmitt

2、edfortheDegreeofDoctorCandidate：WuHanhengSupervisor：Prof.ZhouTianhuaChang’anUniversity,Xi’an,China萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)摘要發(fā)展預(yù)制裝配式建筑是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能減排和建筑產(chǎn)業(yè)化的有效途徑，鋼結(jié)構(gòu)最大優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)預(yù)制裝配化，其中鋼框架的應(yīng)用最為廣泛，但其抗側(cè)剛度小，工程界常通過增設(shè)內(nèi)填式墻體來提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，傳統(tǒng)的抗側(cè)力墻體存在構(gòu)造復(fù)雜、裝配化施工不便、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)抗側(cè)力墻體的預(yù)制裝配化，降低墻體的

3、承擔(dān)豎向荷載，同時考慮樓板鋼筋穿越問題和解決建筑開門窗洞口的需求，提出了一種新型鋼框架—預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻裝配式結(jié)構(gòu)體系(SteelFrame-PrefabricatedConcreteLateralResistanceWallFabricatedStructuralSystem)（簡稱SPW體系），本文通過試驗(yàn)研究和理論分析對SPW體系的受力性能和計(jì)算理論進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要研究內(nèi)容如下：（1）研發(fā)SPW體系并開展足尺模型試驗(yàn)研究設(shè)計(jì)和制作了4榀由鋼框架與型鋼混凝土抗側(cè)力墻、鋼筋混凝土抗側(cè)力墻組成的單層單跨足尺

4、模型，對其進(jìn)行水平低周反復(fù)加載試驗(yàn)。對水平荷載作用下結(jié)構(gòu)體系的破壞形式、承載能力、剛度退化、滯回特性、延性及耗能性能進(jìn)行系統(tǒng)分析，得到墻體的破壞機(jī)理、框架與抗側(cè)力墻體的傳力路徑以及內(nèi)力分配關(guān)系。在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對SPW體系的抗震性態(tài)水平及性能指標(biāo)的量化進(jìn)行探索研究，總結(jié)分析結(jié)構(gòu)的破壞順序和破壞形態(tài)，提出五個性能水平的失效判別標(biāo)準(zhǔn)，并給出不同性能水平對應(yīng)的側(cè)移角限值建議。（2）揭示SPW體系受力性能的影響因素1)分析了抗側(cè)力墻體與框架梁連接界面處的受力特性，對連接界面的抗剪栓釘、錨筋和型鋼承擔(dān)剪力和彎矩作用進(jìn)行定

5、性、定量分析，得到其分布規(guī)律；并對試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械倪B接件類型提出改進(jìn)措施，以保證抗側(cè)力墻體與框架梁連接的可靠性。2)從彈性剛度、承載能力、滯回曲線、水平剪力和傾覆彎矩的分配關(guān)系、塑性耗能等方面，考察框架柱剛度、約束梁剛度、墻體高寬比、墻體邊緣構(gòu)件的含鋼率等因素對結(jié)構(gòu)體系協(xié)同受力性能的影響，得到各因素的影響規(guī)律。（3）建立SPW體系的計(jì)算理論1)建立結(jié)構(gòu)層間抗側(cè)剛度的計(jì)算模型，分別推導(dǎo)考慮梁約束效應(yīng)的墻體和框架柱抗側(cè)剛度計(jì)算公式，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證公式的合理性。并將抗側(cè)力墻體簡化為“交叉撐桿+豎向桿”的桿系模型，推導(dǎo)剛度等

6、量代換關(guān)系，彈性階段，結(jié)構(gòu)體系可等代為桿系-I-萬方數(shù)據(jù)模型進(jìn)行的內(nèi)力分析和變形計(jì)算。2)基于連續(xù)化的方法，建立鋼框架、約束梁和抗側(cè)力墻體協(xié)同工作微分方程，提出為反映結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的重要參數(shù)λ，求解結(jié)構(gòu)體系在三種典型水平荷載下的內(nèi)力、位移計(jì)算方法。3)根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的破壞形態(tài)，提出不同破壞形態(tài)的受剪承載力分析模型和計(jì)算簡圖，建立受剪承載力的計(jì)算公式，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證公式的可靠性。（4）提出SPW體系合理剛度比的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)建議1)以反應(yīng)譜理論為基礎(chǔ)，建立以基底地震剪力為目標(biāo)函數(shù)，最大層間位移角為約束條件的數(shù)學(xué)優(yōu)化

7、模型，采用MATLAB高級語言編寫優(yōu)化程序，對鋼框架、約束梁和抗側(cè)力墻體的合理剛度比進(jìn)行優(yōu)化分析；并對剛度參數(shù)λ的影響因素進(jìn)行分析，并以表格的形式給出不同抗震設(shè)防烈度下的特征周期Tg、剛重比η與λ最優(yōu)值的關(guān)系，可供設(shè)計(jì)參考。2)以彈塑性層間位移的控制為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了45個鋼框架、約束梁和抗側(cè)力墻體不同剛度比的數(shù)值模型，其彈性抗側(cè)剛度保持一致，采用彈塑性時程分析的方法，統(tǒng)計(jì)得出彈塑性層間位移隨剛度參數(shù)λ的變化規(guī)律，研究表明：①當(dāng)剛度參數(shù)λ為定值情況下，框架剛度CF與約束梁剛度CB的比值對各樓層的層間側(cè)移峰值影響不大；②

8、最大彈塑性層間位移δmax與剛度參數(shù)λ有關(guān)，在2≤λ≤3之間時，δmax存在最小值點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出剛度參數(shù)λ最優(yōu)值的設(shè)計(jì)建議。本文的研究工作，論證了新型鋼框架—預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻裝配式混合結(jié)構(gòu)體系的可行性和合理性，并為實(shí)際工程應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo)。最后，對需進(jìn)一步研究的課題進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：鋼框架、預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻體、裝配式結(jié)構(gòu)、受力性能、計(jì)算