填充墙钢框架结构的受力性能分析

论文摘要

钢结构的应用和研究己有近百年的历史,技术上日趋成熟。但关于考虑填充墙在钢框架结构中作为抗侧力构件的问题,国内外的研究都十分有限。我国的钢结构设计规范也没有具体涉及到这方面的内容,且在结构计算时各类砌体填充墙常不考虑其对钢框架抗侧力的贡献。然而在实际的受力过程中,由于砌体填充墙与框架梁柱之间的耦连作用,使填充墙框架结构的受力情况与纯框架的受力情况有较大差异,因此其受力机理及承载力方面的研究具有重要的理论意义和工程参考价值。本文研究了填充墙钢框架的整体受力性能,以更好地协调结构承载力、刚度和延性三者的关系,对于指导设计工作具有十分重要的现实意义。本文通过对4个系列共15个试件的计算与分析,主要研究了填充墙钢框架的在单调和循环荷载作用下的受力性能、破坏机理及轴压比、高跨比、接触面上的摩擦系数、填充墙本构关系等参数对填充墙钢框架整体受力性能的影响。得出的主要结论为:在水平荷载作用下,填充墙钢框架结构中砌体填充墙如同斜压支撑一样成为框架结构的斜向支撑并约束框架结构的水平位移,从而充当结构的主要抗侧力构件,有效地提高了结构的刚度和承载力;填充墙钢框架在循环荷载作用下,结构有明显的滑移现象,整体耗能性能较好;在水平荷载作用下,填充墙受力区域主要集中在沿受力方向对角线范围之内,裂缝也主要在该区域产生,而对角线范围之外等效应力相对很小;填充墙角部与梁柱连接部位的应力集中现象严重,在地震荷载作用下会首先发生破坏;填充墙钢框架结构的破坏是由于填充墙破坏而引起的结构承载力的降低,作为主要受力构件的钢框架还没有发生破坏,结构还有很大的安全富裕度,在地震中,如果只填充墙破坏,则仅需进行墙体置换,结构仍可继续使用;填充墙钢框架节点域受力复杂,为满足“强节点弱构件”的抗震设计要求,应在结构设计中对节点域钢板宽厚比予以限值;结构的轴压比的改变对钢框架的承载力、变形能力和延性影响较小,说明填充墙能够降低P-Δ效应对钢框架的影响,且轴压比在小于0.4的范围各项受力性能较优;高跨比大于0.5时,结构表现出良好的耗能能力和延性性能,抗震性能较好;随着填充墙与钢框架粘结系数的增大,极限承载能力变化相对较小,但初始刚度增大,结构延性性能出现劣化。本文全面、系统、深入地分析了填充墙钢框架在单调和循环荷载作用下的受力性能,研究工作和得到的结论对于指导工程设计具有重要的参考价值,为进一步研究填充墙钢框架的抗震性能打下了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 填充墙钢结构框架的发展概况
• 1.2 填充墙钢框架体系的特点与研究意义
• 1.3 填充墙钢框架体系的研究状况
• 1.3.1 填充墙钢框架体系国外研究状况
• 1.3.2 填充墙钢框架体系国内研究状况
• 1.3.3 发展趋势
• 1.4 本文研究内容
• 1.4.1 前人研究的不足之处
• 1.4.2 本文研究工作
• 2 三维非线性有限元理论基础
• 2.1 结构非线性问题概述
• 2.2 材料非线性问题的求解
• 2.2.1 钢框架部分材料非线性的有限元方程
• 2.2.2 填充墙部分材料非线性的有限元方程
• 2.2.3 几何非线性的有限元方程
• 2.3 有限元程序的选取
• 2.4 有限元模拟在程序中的实现
• 2.4.1 材料特性和单元类型的选取
• 2.4.2 边界条件和加载制度
• 2.4.3 求解选项设置
• 2.4.4 破坏准则的确定
• 2.4.5 强化准则
• 2.4.6 收敛或发散判断准则
• 3 填充墙钢框架体系非线性有限元分析
• 3.1 填充墙钢框架试件的设计与描述
• 3.2 有限元模型的建立
• 3.2.1 材料性能指标的选取
• 3.2.2 网格划分
• 3.2.3 接触的生成
• 3.2.4 试件加载方式
• 3.3 基本（BASE）试件有限元计算结果与分析
• 3.3.1 荷载－位移曲线和滞回曲线分析
• 3.3.2 应力比分析
• 3.3.3 填充墙受力性能分析
• 3.3.4 钢框架的应力及应变分析
• 3.4 填充墙钢框架与纯钢框架的对比
• 3.4.1 荷载－位移曲线和滞回曲线分析
• 3.4.2 骨架曲线和割线刚度退化分析
• 3.4.3 耗能性能分析
• 3.4.4 Mises 等效应力对比分析
• 3.5 NC 系列试件
• 3.5.1 NC 系列试件设计
• 3.5.2 NC 系列试件的强度分析
• 3.5.3 NC 系列试件的应力分析
• 3.6 BL 系列试件
• 3.6.1 BL 系列试件设计
• 3.6.2 BL 系列试件的强度分析
• 3.6.3 BL 系列试件的应力分析
• 3.7 FC 系列试件
• 3.7.1 FC 系列试件设计
• 3.7.2 FC 系列试件的强度分析
• 3.7.3 FC 系列试件的应力分析
• 3.8 MK 系列试件
• 3.8.1 MK 系列试件设计
• 3.8.2 MK 系列试件的强度分析
• 3.8.3 MK 系列试件的应力分析
• 4 结论
• 4.1 结论与设计建议
• 4.2 后继工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录