斜加劲钢板剪力墙性能研究

论文摘要

作为一种新型的抗侧力构件,钢板剪力墙以较高的侧向刚度和极限承载力、良好的位移延性和耗能能力等诸多优点引起各国学者的极大兴趣。非加劲薄钢墙在很小的荷载下即发生屈曲,在正常使用阶段有较大的面外变形;在屈曲后受力阶段,沿受拉对角线方向形成斜向拉力带,继续增加的荷载主要由拉力带承担。因边框构件刚度较大,钢板墙有很高的屈曲后强度和良好的塑性变形能力,其屈曲后阶段的力学性能对整体性能影响很大,故研究钢板墙的屈曲后性能十分重要。基于钢板墙的受力和变形特点,沿着拉力带的面外变形轨迹设置斜向加劲肋,能有效的阻止板的面外变形,提高钢板墙的初始刚度和承载力,这就形成了一种新型的钢板墙结构—斜加劲钢板剪力墙。本文对刚接边框斜加劲钢板剪力墙进行了系统的理论与试验研究。研究目的在于深入、系统地揭示斜加劲钢板墙在单向荷载下的抗剪性能和反复荷载下的滞回性能,为斜加劲钢板墙的弹塑性设计提供参考依据。主要研究内容和成果如下:(1)对刚接边框薄钢板墙进行了循环拟静力试验研究,分析了钢板墙的侧向刚度、承载力、耗能性能和变形特性等指标。试验结果表明,斜加劲钢板墙有很高的侧向刚度和极限承载力,良好的塑性变形能力和耗能能力;斜加劲钢板墙消除了“零位移”附近的“负刚度”现象,滞回环饱满稳定,结构有很高的安全储备,是一种优良的抗侧力构件。(2)用纯壳单元模型分析了非加劲和斜加劲钢板墙在单向荷载和循环荷载下的屈曲后性能,计算结果与试验结果吻合良好,为后续的分析研究做了必要的准备。进一步明确了薄板墙拉力带的作用机理和板框构件的协同工作性能,认为必须考虑拉力带对边框柱的削弱作用,在框架柱端部等危险区域应采取措施予以加强。(3)用有限元方法对刚接边框斜加劲钢板墙的弹性屈曲性能作了较为系统的分析,研究了板高厚比、柱柔度、肋板刚度比、加劲肋高厚比和板高宽比等无量纲参数的影响。认为薄板墙与厚板墙有不同的弹性屈曲极限状态,应采取不同的加劲准则,取得了一定的研究成果,为斜加劲钢板墙的弹性设计提供了依据。(4)对单层斜加劲钢板墙的屈曲后性能作了系统分析,研究了初始缺陷、板高厚比、柱柔度、肋板刚度比、板高宽比、加劲肋高厚比和轴压比等因素对钢板墙抗剪性能的影响。在此基础上,本文还研究了多层斜加劲钢板墙的屈曲后性能,考虑了倾覆弯矩对钢板墙抗剪性能的影响。分析结果表明,斜加劲钢板墙的柱柔度对其屈曲后性能影响很大,强边框柱截面由惯性矩控制,弱边框柱截面由截面面积控制。多层钢板墙受倾覆弯矩影响较大,建议采用受压性能较好的钢管混凝土作为多层钢板墙的边框柱。(5)用有限元方法分析了斜加劲钢板墙在循环荷载下的抗震性能,考虑了板高厚比、肋板刚度比、柱柔度、高宽比、加劲肋高厚比和轴压比等因素影响。主要研究内容有:荷载—位移滞回曲线、耗能性能、板面外变形、边框柱轴力、边框柱弯矩和边框柱变形等,得到了一些有用的结论,为斜加劲钢板墙的抗震设计提供了参考依据。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1.绪论
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.2 钢板剪力墙结构体系
• 1.2.1 钢板墙结构类型
• 1.2.2 钢板墙结构特点
• 1.3 钢板墙的研究及运用现状
• 1.3.1 薄腹板梁的研究
• 1.3.2 钢板墙的研究现状
• 1.3.3 钢板墙的工程运用
• 1.3.4 钢板墙的设计方法
• 1.3.5 钢板墙的研究不足
• 1.4 本文的研究内容和方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 2.钢板墙试验研究
• 2.1 试验研究目的和内容
• 2.1.1 试验研究目的
• 2.1.2 试验研究内容
• 2.2 试验设计
• 2.2.1 试件设计
• 2.2.2 加载装置及制度
• 2.2.3 量测装置
• 2.3 材性试验
• 2.4 试验现象描述
• 2.4.1 非加劲钢板墙试验现象
• 2.4.2 斜加劲钢板墙试验现象
• 2.5 试验结果分析
• 2.5.1 骨架曲线
• 2.5.2 滞回曲线
• 2.5.3 承载力退化性能
• 2.5.4 耗能性能
• 2.5.5 边框柱变形
• 2.5.6 板面外变形
• 2.6 本章小结
• 3.钢板墙非线性有限元分析
• 3.1 非线性有限元基本理论
• 3.1.1 几何非线性
• 3.1.2 材料非线性
• 3.1.3 非线性方程组的数值解法
• 3.1.4 解的收敛性问题
• 3.2 有限元分析单元
• 3.3 有限元分析模型
• 3.4 单向荷载下钢板墙的有限元分析
• 3.4.1 荷载—位移曲线
• 3.4.2 应力发展及分布
• 3.4.3 板变形发展及分布
• 3.5 循环荷载下钢板墙的有限元分析
• 3.5.1 有限元加载制度
• 3.5.2 钢板墙循环变形形态
• 3.5.3 滞回性能
• 3.5.4 耗能性能和承载力退化性能
• 3.5.5 循环应力发展及分布
• 3.5.6 循环变形发展及分布
• 3.5.7 循环荷载下框架柱变形
• 3.6 本章小结
• 4.斜加劲钢板墙屈曲性能分析
• 4.1 斜加劲钢板墙结构特点
• 4.2 板的稳定问题分析方法
• 4.2.1 板的经典解析法
• 4.2.2 板的数值解法
• 4.3 有限元分析模型
• 4.4 屈曲分类
• 4.5 钢板墙屈曲性能分析
• 4.5.1 斜加劲钢板墙屈曲应力
• 4.5.2 钢板墙高厚比分析
• 4.5.3 柱柔度分析
• 4.5.4 肋板刚度比分析
• 4.5.5 加劲肋高厚比分析
• 4.5.6 钢板墙高宽比分析
• 4.6 本章小结
• 5.斜加劲钢板墙抗剪性能分析
• 5.1 钢板墙屈曲后强度
• 5.2 钢板墙简化模型分析
• 5.2.1 钢板墙的弹塑性分析方法
• 5.2.2 钢板的荷载—位移关系
• 5.2.3 纯框架的荷载—位移关系
• 5.2.4 钢板剪力墙的荷载—位移关系
• 5.3 钢板墙屈服顺序定性分析
• 5.4 初始缺陷影响
• 5.5 钢板墙抗剪性能分析
• 5.5.1 抗剪性能分析结果
• 5.5.2 荷载—位移曲线
• 5.5.3 板高厚比影响
• 5.5.4 柱柔度影响
• 5.5.5 肋板刚度比影响
• 5.5.6 加劲肋高厚比影响
• 5.5.7 高宽比影响
• 5.5.8 轴压比影响
• 5.6 钢板墙应力发展及分布
• 5.6.1 厚板墙应力发展及分布
• 5.6.2 薄板墙应力发展及分布
• 5.7 边框柱分析
• 5.7.1 边框柱轴力
• 5.7.2 边框柱弯矩
• 5.7.3 边框柱变形
• 5.8 多层斜加劲钢板墙分析
• 5.8.1 整体倾覆弯矩
• 5.8.2 多层钢板墙抗剪性能研究
• 5.8.3 多层钢板墙边框柱内力分析
• 5.9 本章小结
• 6.斜加劲钢板墙滞回性能分析
• 6.1 钢板墙滞回性能分析
• 6.1.1 板高厚比对滞回性能影响
• 6.1.2 肋板刚度比对滞回性能影响
• 6.1.3 柱柔度对滞回性能影响
• 6.1.4 高宽比对滞回性能影响
• 6.1.5 加劲肋高厚比对滞回性能影响
• 6.1.6 轴压比对滞回性能影响
• 6.2 耗能性能分析
• 6.2.1 板高厚比对耗能性能影响
• 6.2.2 肋板刚度比对耗能性能影响
• 6.2.3 柱柔度对耗能性能影响
• 6.3 板面外变形滞回分析
• 6.4 边框柱轴力滞回分析
• 6.5 边框柱弯矩滞回分析
• 6.6 边框柱变形滞回分析
• 6.7 本章小结
• 7.结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录A.攻读博士学位期间发表论文及科研情况发表论文
• 致谢