型钢混凝土剪力墙抗震性能改善措施试验及模拟分析方法研究

摘要

型钢混凝土（SRC）剪力墙已广泛应用于高层及超高层建筑中，其抗震性能的改善一直是结构工程界普遍关注和研究的焦点之一。现有的诸多改善措施如边框外包钢管、腹板内置斜撑、腹板内置钢板、腹板外包钢板等，虽然对墙体的极限变形性能有比较明显的改善效果，但普遍存在构造复杂、施工困难等问题，从而限制了这些措施在实际工程中的推广应用。同时，归纳现有资料发现，各种增强措施似乎都存在一定的局限性，在某些情况下的改善效果不大甚至对极限变形还有减小作用，需要我们从受力机理上进行更加清楚的认识。另一方面，针对SRC剪力墙，尤其是剪切效应明显的中高和低矮剪力墙的非线性有限元模拟方法还不够成熟和完善，SRC剪力墙抗震性能改善措施的研究主要依靠结构试验方法，缺乏必要的数值模拟分析辅助手段，导致研究工作的系统性和深入程度受到较大影响。针对上述问题，论文围绕提出更加简便有效的SRC剪力墙抗震性能改善措施和建立SRC剪力墙非线性有限元模拟分析方法展开研究，主要完成了以下研究工作： ①SRC剪力墙抗震性能改善措施试验研究。进行了18片SRC剪力墙试件的抗震性能试验，比较系统地研究了在腹板中部设置竖向型钢、在墙体边框暗柱区增设型钢、在边框暗柱区底部外包钢套筒、在墙体底部区域增设水平钢板带等多种简便措施对SRC剪力墙抗震性能的改善效果。试验结果表明：对于SRC中高剪力墙，在墙体腹板区域增设竖向型钢的措施对墙体的极限变形能力不但不能改善，反而有不利影响；本文提出的在墙体边框底部暗柱区设置外包钢套筒措施施工简便，且能有效改善SRC中高剪力墙的极限变形能力，进一步将钢套筒嵌入基础能取得更加明显的改善效果。对于SRC低矮剪力墙，在墙体腹板区域增设竖向型钢的措施能有效提高墙体的极限变形能力和耗能性能；在腹板内置竖向型钢的基础上，在墙体底部区域增设水平钢板带，能进一步提高SRC低矮剪力墙的抗震性能。 ②SRC剪力墙有限元非线性全过程模拟分析方法研究。在对现有数值模拟分析方法进行深入对比分析的基础上，根据SRC剪力墙的受力特征，综合考虑几何模型、材料本构、网格划分、极限状态确定等关键问题，提出了三维模型和二维模型相结合的“边框柱-腹板组合分析模型”（C-W模型）。通过与试验的对比分析表明，该模型方法收敛性好、计算结果稳定、可拓展性强，能够较准确地计算SRC剪力墙的极限变形能力和极限承载力、模拟SRC剪力墙全过程受力行为和描述SRC剪力墙的破坏过程与破坏模式，为开展SRC剪力墙非线性模拟及其抗震性能改善措施的研究提供了必要的分析手段。 ③SRC剪力墙抗震性能改善措施的参数分析及作用机理研究。采用本文提出的C-W模型分析方法，对带钢套筒SRC剪力墙、腹板内置竖向型钢SRC剪力墙进行有限元模拟参数影响性分析，弥补了试验样本数量不足和测试数据不完备的缺陷，结合结构试验，给出了边框底部增设钢套筒措施和腹板内置竖向型钢措施的工程应用构造建议，其中包括措施的适用范围、套筒高度及套筒截面尺寸要求以及腹板中部型钢的设置部位、型钢横截面积要求等。在此基础上，进一步对SRC剪力墙边框加强型和腹板加强型改善措施的作用机理和作用效果进行了讨论，结合大量现有抗震性能改善措施试验结果的对比印证，总结提出了选用SRC剪力墙抗震性能改善措施的基本规则。

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