型钢混凝土边框柱密肋复合墙体试验分析及抗震设计方法研究

论文摘要

型钢混凝土边框柱密肋复合墙结构是以密肋复合墙结构为基础而派生的又一新型结构型式，是密肋复合墙结构研究的延续与深入。通过密肋复合墙体与隐形型钢混凝土框架结合，在保持原有密肋复合墙结构诸多优点的基础上，发挥型钢混凝土隐形边框柱承载力高、抗震性能好的特点，改善密肋复合墙结构的受力性能，对于该结构在中高层的应用将产生重要的作用。本文以型钢混凝土边框柱密肋复合墙体为研究对象，通过试验研究、有限元计算、理论分析，对墙体的受力机理、破坏模式、抗震性能、协同工作性能、极限承载能力以及抗震设计方法等进行了较为详细的研究，主要研究内容及成果概括如下：(1)通过对三榀型钢混凝土边框柱密肋复合墙体的拟静力试验，分析墙体的受力特点、破坏形态、承载能力、延性、耗能以及变形等抗震性能。以试验为基础，研究墙体在水平及竖向荷载作用下的受力机理。(2)根据型钢混凝土边框柱密肋复合墙体的受力特性，研究墙体在竖向及水平荷载作用下的协同工作性能。提出墙体在竖向荷载作用下的弹性地基梁力学模型及在水平荷载作用下的夹层复合结构力学模型，根据变形协调原理，建立结构平衡微分方程，进而求解结构的内力表达式，定量给出边框柱与复合墙板承担竖向及水平荷载的比例关系，并对其影响因素进行了分析。(3)采用分离式三维实体模型，建立墙体的非线性三维有限元计算模型，并将有限元分析结果与试验研究进行了对比验证。利用该有限元模型，分析墙体在水平荷载作用下边框梁柱、肋梁柱的受力及变形特性，并研究在竖向荷载作用下墙体中边框柱、肋柱、填充砌块应变分布情况。(4)通过试验及有限元分析，对影响型钢混凝土边框柱密肋复合墙体轴压极限承载力的因素进行了分析；重点研究型钢混凝土边框柱受力机理与作用，提出边框柱混凝土及型钢承载力利用系数；并根据数值分析结果提出墙体在轴压下的整体稳定系数；最终提出了型钢混凝土边框柱密肋复合墙体轴压下的极限承载力计算公式。(5)依据最小耗能原理提出型钢混凝土边框柱密肋复合墙体开裂荷载计算方法。根据试验及有限元分析，就影响墙体斜截面抗剪极限承载力的因素进行了讨论，并根据数值分析结果提出各组件相应的抗剪承载力计算公式，并最终提出型钢混凝土边框柱密肋复合墙体斜截面极限承载力计算公式。(6)以应变平截面假定为基础，对型钢混凝土边框柱密肋复合墙体正截面极限承载力进行研究，建立墙体正截面压弯承载力实用计算公式。(7)针对型钢混凝土边框柱密肋复合墙体结构的特点，采用数值计算的方法确定型钢混凝土边框柱密肋复合墙体的屈服曲率和极限曲率，建立该复合墙曲率延性比和位移延性比的关系，分析影响该复合墙体延性的影响因素，并结合工程实际提出了型钢混凝土边框柱密肋复合墙体的轴压比限值。(8)结合试验研究，给出型钢混凝土边框柱密肋复合墙体弹性层间位移角及弹塑性层间位移角限值，提出型钢混凝土边框柱密肋复合墙体抗震设计方法，并根据型钢混凝土边框柱密肋墙体结构的特点，提出了相应的施工构造要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 型钢混凝土边框柱密肋复合墙体结构
• 1.2 密肋复合墙体中引入型钢混凝土边框柱的意义
• 1.3 课题相关内容的研究现状
• 1.3.1 密肋复合墙体研究现状
• 1.3.2 框架填充墙研究现状
• 1.3.3 型钢混凝土柱研究现状
• 1.3.4 型钢混凝土剪力墙
• 1.4 研究目的、意义及内容
• 1.4.1 研究目的、意义
• 1.4.2 研究内容
• 参考文献
• 2 型钢混凝土边框柱密肋复合墙体受力机理研究
• 2.1 试验简介
• 2.1.1 试件的设计与制作
• 2.1.2 试验方法
• 2.2 型钢混凝土外框柱密肋复合墙体抗震性能试验结果分析
• 2.2.1 破坏现象
• 2.2.2 破坏机理分析
• 2.2.3 试件的承载力、延性及耗能分析
• 2.2.4 试件变形分析
• 2.2.5 试件中各构件受力性能试验结果分析
• 2.2.6 正应变沿墙体截面高度的分布
• 2.3 竖向荷载作用下试验结果分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 3 型钢混凝土边框柱密肋复合墙体结构协同工作性能分析
• 3.1 竖向荷载作用下协同工作分析
• 3.1.1 理论研究
• 3.1.2 试验结果对比
• 3.1.3 竖向荷载分配比例影响因素分析
• 3.2 水平荷载作用下协同工作分析
• 3.2.1 单跨复合墙结构计算
• 3.2.2 多跨复合墙结构计算
• 3.2.3 计算分析
• 3.3 结论
• 参考文献
• 4 型钢混凝土边框柱密肋复合墙体非线性有限元分析
• 4.1 复合墙体非线性有限元理论基础
• 4.1.1 墙体中不同材料的本构模型
• 4.1.2 复合墙体中裂缝的处理
• 4.1.3 复合墙体中不同材料的联结问题
• 4.2 计算模型选取
• 4.3 有限元分析程序验证及分析
• 4.3.1 三维实体单元模型
• 4.3.2 水平单调加载的非线性有限元分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 5 型钢混凝土边框柱密肋复合墙体承载力研究
• 5.1 轴压承载力计算
• 5.1.1 密肋复合墙体在轴压作用下的试验研究
• 5.1.2 密肋复合墙体轴压承载力计算方法
• 5.1.3 型钢混凝土边框柱密肋复合墙体轴压承载力计算方法
• 5.2 型钢混凝土边框柱密肋复合墙体抗剪承载力研究
• 5.2.1 复合墙体开裂荷载计算
• 5.2.2 破坏机理
• 5.2.3 剪切承载力的组成
• 5.2.4 复合墙体各部分抗剪计算模式
• 5.2.5 影响因素分析
• 5.2.6 型钢混凝土边框柱密肋复合墙体斜截面承载力计算
• 5.3 型钢混凝土边框柱密肋复合墙体正截面承载力研究
• 5.3.1 基本假定
• 5.3.2 等效矩形应力图形
• 5.3.3 正截面承载力实用计算公式
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 6 型钢混凝土边框柱密肋复合墙体结构抗震设计方法研究
• 6.1 型钢混凝土边框柱密肋复合墙体延性及轴压比限值研究
• 6.1.1 位移延性计算方法
• 6.1.2 位移延性比影响因素分析
• 6.1.3 轴压比限值
• 6.2 型钢混凝土边框柱密肋复合墙体结构层间位移角限值
• 6.2.1 弹性层间位移角限值的控制目标
• 6.2.2 弹性层间位移角限值
• 6.2.3 弹塑性层间位移角限值
• 6.3 型钢混凝土边框柱密肋复合墙体抗震设计方法
• 6.3.1 基本规定
• 6.3.2 型钢混凝土边框柱密肋复合墙体抗震极限承载力计算
• 6.3.3 型钢混凝土边框柱密肋复合墙体抗震构造措施
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表论文
• 攻读博士学位期间参加的主要科研项目