刚性连接钢框架—内填钢筋混凝土剪力墙结构体系的滞回性能及抗震设计对策

论文摘要

钢框架-内填钢筋混凝土剪力墙（SRCW）结构的组合作用主要是由抗剪连接件来实现。在低水平地震荷载作用下,混凝土墙对钢框架提供保护,在小震中保持其完整性;其最主要的优点是在低到中度地震后剪力墙开裂可修复,而如果钢框架仍保持它的完整性,还可以更换遭受严重破坏的剪力墙。SRCW结构另一重要的优点,即钢梁及钢柱可以作为剪力墙施工时的模板和支承而易于建造。由于此结构良好的抗震性能,近年来SRCW结构在国外已有一定程度的工程应用,是一种很有工程应用前景的新型抗震结构体系。但对此结构的研究工作,特别是抗震性能的研究工作明显落后于工程实践。本文从试验及有限元分析两个方面对刚性连接钢框架（强轴）-内填钢筋混凝土剪力墙结构的滞回性能进行研究。首先对一榀两层、单跨刚性连接钢框架-内填钢筋混凝土剪力墙试件进行循环加载试验,此试件以大约1:3的比例代表一6层原型结构的底部两层。试验表明:结构具有较高的强度储备;良好的延性和耗能能力;在设计荷载作用下,钢框架通过剪力钉向剪力墙传递85%左右的水平荷载,钢框架承担约65%的倾覆弯矩。在试验结果的基础上,本文首次建立了非线性有限元的有限元模型,主要考虑了剪力钉的数量、布置,剪力墙的配筋率及暗柱、暗梁的设置,混凝土的强度,上部荷载作用等4个因素对滞回性能的影响,得出了一系列重要的结论。最后,根据试验和有限元研究结果,提出了抗震对策和设计建议。本文的工作对于修订国家相关规范、指导工程设计提供了参考,也为进一步研究此结构的抗震性能打下良好的基础。

论文目录

1 绪论

1.1 引言

1.1.1 钢框架连接概述

1.1.2 刚性钢框架体系

1.1.3 刚性梁柱连接

1.1.4 焊接刚性钢框架梁柱连接研究现状

1.2 课题来源

1.3 SRCW结构的研究现状

1.3.1 SRCW结构的试验研究

1.3.2 SRCW结构的理论分析

1.4 本文的研究内容

1.4.1 前人研究的不足之处

1.4.2 本文的研究工作

2 试验模型原结构的设计

2.1 试验模型原结构的选取

2.2 构件截面尺寸的确定

2.2.1 荷载设计值

2.2.2 梁柱截面选择

2.2.3 剪力墙的等效宽度计算

2.2.4 有限元分析

2.2.5 截面抗震验算

2.2.6 剪力墙设计

3 SRCW结构模型试验方案

3.1 试件设计

3.1.1 试件尺寸的确定

3.1.2 梁柱刚性连接设计

3.1.3 沿接触面剪力钉设计

3.1.4 钢筋混凝土剪力墙设计

3.2 材性试验

3.2.1 钢材材性

3.2.2 混凝土材性

3.2.3 钢筋的材性

3.2.4 剪力钉的材性

3.3 试验装置

3.4 试件测点布置

3.4.1 试件总体反应测点布置

3.4.2 钢柱测点布置

3.4.3 钢梁测点布置

3.4.4 钢筋混凝土剪力墙测点布置

3.4.5 钢框架与钢筋混凝土剪力墙接触面测点布置

3.4.6 剪力钉测点布置

3.4.7 刚性连接区域测点布置

3.5 加载方案

3.6 试验

4 循环加载试验研究

4.1 试件整体行为

4.1.1 试验现象描述

4.1.2 钢筋混凝土剪力墙的开裂和压碎

4.1.3 钢框架的屈服

4.1.4 结构强度及刚度的确定

4.1.5 延性系数的确定

4.1.6 试件的能量耗散能力

4.2 钢框架与钢筋混凝土剪力墙的局部行为

4.2.1 钢框架柱受力分析

4.2.2 钢框架中梁端部受力分析

4.2.3 刚性连接部位受力特性

4.2.4 节点域剪切变形

4.2.5 钢筋混凝土剪力墙特性分析

4.2.6 接触面剪力钉特性分析

4.3 结构体系中力的分布

4.3.1 水平力的分布

4.3.2 倾覆弯矩的分布

4.3.3 破坏模式的提出

5 有限元基本理论

5.1 几何非线性有限元理论基础

5.1.1 几何矩阵

5.1.2 有限元方程及单元刚度矩降

5.1.3 Cauchy应力和kirchhoff应力的转换

5.2 材料非线性有限元理论基础

5.2.1 钢框架部分的弹塑性强化本构关系

5.2.2 钢筋混凝土部分的本构关系

5.2.3 混凝土的破坏准则

5.2.4 钢筋本构关系

5.2.5 钢筋混凝土剪力墙有限元模型

6 刚性连接钢框架-内填钢筋混凝土剪力墙结构滞回性能分析

6.1 有限元模拟

6.1.1 单元选取

6.1.2 模拟过程

6.2 有限元程序验证

6.3 有限元计算的试件设计

6.3.1 BASE试件描述

6.3.2 JS系列试件

6.3.3 QJ系列试件

6.3.4 HB系列试件

6.3.5 SH系列试件

6.4 有限元计算的结果分析

6.4.1 BASE试件

6.4.2 JS系列试件

6.4.3 QJ系列试件

6.4.4 HB系列试件

6.4.5 SH系列试件

6.5 小结

7 结论及抗震设计建议

7.1 结论

7.1.1 由试验得出的结论

7.1.2 由有限元分析得出的结论

7.2 抗震对策和设计建议

7.3 后继工作

致谢

攻读博士学位期间论文发表及科研情况

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