钢桁架连梁耗能机理及控制性能研究

摘要

连梁是联肢剪力墙结构抗震设计的第一道防线，起到保护剪力墙从而避免结构倒塌的重要作用。设计中连梁常采用小跨高比的形式，其抗剪能力、延性耗能经常不能满足抗震要求。相比于常用的混凝土连梁，钢结构连梁在结构强度、结构延性、施工简单等方面有明显优势。在分析连梁实际抗震受力的基础上，本文研究了钢桁架连梁--联肢剪力墙结构体系，它采用钢桁架形式代替传统的钢筋混凝土连梁结构。本文在足尺钢桁架连梁构件和剪力墙构件两个层面进行了抗震试验研究和理论分析。主要研究成果如下：
　　 1、对4个足尺钢桁架连梁进行了抗震低周反复荷载试验研究，研究了它们的承载能力、破坏过程、滞回性能、延性性能、耗能机理和刚度强度退化规律，揭示了钢桁架连梁的工作机理。试验研究证明足尺钢桁架连梁发挥了钢材延性好的优点，其延性、耗能大于普通混凝土连梁和改进配筋混凝土连梁，体现出良好的抗震性能。加大腹杆截面面积能够提高构件的整体刚度、屈服荷载和承载力；加大弦杆截面面积能较大幅度的提高钢桁架连梁的整体刚度，提高屈服荷载和承载能力，以及提高构件的耗能能力。
　　 2、在低周反复荷载试验研究的基础上对足尺钢桁架连梁进行了仿真模拟和参数分析，有限元分析结果与试验结果吻合较好：两者得到的滞回曲线丰满、呈对称梭形形态，可以较好地反映钢桁架连梁抗震耗能性能好的特点；试验和有限元计算的能量耗散曲线非常接近，在位控达3倍屈服位移之后等效粘滞阻尼系数he=0.247～0.364，远高于普通混凝土连梁；有限元计算结果能够较好地反映结构的破坏形态、延性性能、刚度退化规律和耗能机理。参数分析可知：加大腹杆型号可以明显提高连梁的承载力，但腹杆截面过大会导致弦杆腹板容易过快地发生弯曲破坏；加大弦杆型号能提高连梁承载力及整体刚度，但弦杆截面过大则会导致交叉腹杆不能很好的消耗地震能量；跨高比对承载力的影响不大，但跨高比变大，腹杆变短，变形受限，延性不好，超过极限荷载后，会出现承载力及延性下降的趋势。
　　 3、在钢桁架连梁低周反复荷载试验的基础上，拟合了钢桁架连梁的骨架曲线模型、恢复力模型，可用于钢桁架连梁的弹塑性设计。
　　 4、对只配置钢桁架连梁的双层联肢剪力墙(简称“SW”)及混凝土连梁、钢桁架连梁混合配置的双层联肢剪力墙体系(简称“RSW”)进行了抗震拟动力和低周反复荷载的试验分析。研究了剪力墙的变形性能、地震波输入后的位移、加速度、底部剪力响应、荷载.位移滞回曲线，以及两种剪力墙体系的承载能力、延性性能、耗能机理、刚度和强度退化规律。揭示了两种配置钢桁架连梁的剪力墙结构的工作机理。试验表明：(1)两种剪力墙体系的侧移值均较小，拟动力试验结束结构整体没有出现较大破坏。(2)配置双层钢桁架连梁的剪力墙SW刚度分配合理，其耗能机理为：正常使用及小震阶段，钢桁架连梁不发生屈服；罕遇地震作用下SW的钢桁架连梁交叉腹杆在连梁内部先产生塑性铰，不断耗散能量；随位控荷载加大，腹杆退出工作，上下钢弦杆持续耗能，持续保护和约束剪力墙结构，避免其变为单肢剪力墙，该连梁体系能够利用钢材良好的延性性能，耗散大量的地震能量；后期钢桁架连梁持续耗能，剪力墙出现底部塑性铰后持续耗能，连梁塑性铰早于剪力墙塑性铰。SW连梁的布置体现出较好的被动减震功能，连梁呈现延性破坏，联肢剪力墙也呈现延性弯曲破坏。(3)RSW耗能机理：正常使用及小震阶段，混凝土连梁和钢桁架连梁不发生屈服；加载中后期，由上部剪力墙钢筋、底部剪力墙形成的塑性铰耗能，下层钢桁架连梁屈服，但变形受到墙肢和顶层连梁混凝土整体的限制，只能部分发挥耗能作用，顶部钢筋混凝土连梁不屈服。所有试验结束后RSW的两层连梁未出现较大变形，混凝土连梁的存在加大了结构的刚度，上下两层刚度分布不均；RSW小震时加速度反应峰值很大，拟动力加载前期墙肢开裂，RSW的连梁设置不合理，耗能较小，剪力墙的破坏为墙肢本身的延性弯曲破坏，不能实现“强墙肢弱连梁”的抗震要求。
　　 5、对剪力墙平面结构进行了弹塑性地震响应时程仿真分析和低周反复荷载仿真分析。对比分析了中震及大震荷载作用下结构的试验时程和有限元计算时程，弹塑性时程计算分析整体上较接近试验的结果：结构位移响应峰值接近，两个剪力墙的位移角均远小于剪力墙结构9度抗震设防弹塑性位移角限值的要求；试验计算和有限元计算的滞回曲线较接近，能够反映结构的耗能过程，骨架曲线有限元计算结果与试验结果较接近，有限元计算的耗能比试验结果略大，主要是因为是结构是在完成了拟动力试验之后才进行低周反复荷载试验，结构内部有不同程度的损伤。对SW试件，达到极限荷载之后，承载力下降较平缓，延性性能较好，连梁后期仍能够起到约束剪力墙墙肢的作用，正向反向承载力接近，内部损伤较小。对RSW试件，达极限荷载后，承载力也平缓下降，延性性能比不上SW，墙肢的损伤的不均匀导致承载力正反不对称。
　　 6、结合本文的试验和理论研究结果，分析了钢桁架连梁的设计方法，给出了钢桁架连梁承载力计算的建议公式，并且对钢桁架连梁与剪力墙墙肢的连接的构造提出了建议。
　　 本文研究的钢桁架连梁——联肢剪力墙结构体系，承载能力强，安全储备高，耗能和刚度退化机制合理，大震作用下钢桁架连梁也能约束剪力墙墙肢，体现出被动减震控制的性能，实现了延性连梁和延性剪力墙的抗震设防要求，构造简便，易于施工，能够较好地满足联肢剪力墙抗震设防的各种目标要求，是一种理想的连梁结构体系。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪 论

1.1 课题的来源及研究背景

1.1.1 课题的来源

1.1.2 连梁震害

1.1.3 联肢剪力墙破坏机理及延性连梁、脆性连梁的概念

1.2 连梁结构体系研究现状

1.2.1 传统配筋钢筋混凝土连梁

1.2.2 改进配筋钢筋混凝土连梁

1.2.3 改进的钢筋混凝土连梁结构存在的问题

1.2.4 实腹钢连梁体系

1.3 拟研究的钢桁架连梁形式

1.3.1 钢桁架体系特点及研究现状

1.3.2 本文研究的钢桁架连梁的优势

1.4 研究目标、研究内容和研究方法

1.4.1 研究的目标

1.4.2 研究的内容

1.4.3 采取的技术路线、研究的方法

第二章 足尺钢桁架连梁的抗震性能试验研究

2.1 试件的设计与制作

2.1.1 制作钢桁架连梁试件

2.1.2 测点布置

2.2 加载装置与加载制度

2.2.1 加载装置

2.2.2 加载制度

2.3 试验过程及结果

2.3.1 破坏过程及破坏特征

2.3.2 P-△滞回曲线

2.3.3 钢桁架连梁的骨架曲线

2.3.4 应变测量分析

2.4 试验结果对比分析

2.4.1 滞回延性

2.4.2 耗能能力

2.4.3 刚度退化

2.4.4 强度退化

2.5 本章小结

第三章 钢桁架连梁的非线性有限元分析

3.1 非线性有限元法简介

3.2 钢桁架连梁有限元分析计算模型

3.2.1 全模型模拟

3.2.2 单元类型选取

3.2.3 钢材本构模型

3.2.4 混凝土本构模型

3.2.5 连梁模型的建立、网格的划分与分析过程

3.3 钢桁架连梁单调加载有限元分析

3.3.1 单调加载作用下加载点荷载-位移曲线对比

3.3.2 单调加载特征点结果对比

3.4 钢桁架连梁低周反复荷载作用下的非线性有限元分析

3.4.1 低周反复荷载作用下加载点荷载一位移滞回曲线对比

3.4.2 低周反复荷载作用下承载力特征点结果对比

3.4.3 耗能性能对比分析

3.4.4 其他结果分析

3.5 参数分析

3.5.1 腹杆截面

3.5.2 弦杆截面

3.5.3 跨高比

3.6 本章小结

第四章 钢桁架连梁的恢复力模型研究

4.1 钢桁架连梁恢复力模型的建立

4.1.1 骨架曲线的恢复力模型

4.1.2 卸载刚度回归分析

4.1.3 恢复力模型

4.1.4 骨架曲线模型与试验结果的对比

4.2 本章小结

第五章 钢桁架连梁-联肢剪力墙的拟动力试验研究

5.1 试验目的和试验方法

5.1.1 试验目的

5.1.2 拟动力试验特点

5.2 试件设计与制作

5.2.1 剪力墙试件的设计

5.2.2 剪力墙试件的制作安装

5.2.3 剪力墙试件的测点布置

5.2.4 试验加载仪器设备

5.3 试验的拟动力加载方案

5.4 拟动力试验结果及分析

5.4.1 剪力墙SW的拟动力试验

5.4.2 剪力墙RSW的拟动力试验

5.4.3 剪力墙SW和RSW抗震性能对比分析

5.5 本章小结

第六章 钢桁架连梁-联肢剪力墙的低周反复荷载试验研究

6.1 试验加载过程

6.1.1 位控加载确定屈服位移

6.1.2 破坏过程及破坏特征

6.2 剪力墙破坏形态和连梁耗能机理对比分析

6.3 剪力墙试验结果对比分析

6.3.1 P-△滞回特征曲线

6.3.2 剪力墙试件的骨架曲线

6.3.3 剪力墙的连梁应变测量分析

6.3.4 剪力墙滞回延性分析

6.3.5 剪力墙耗能能力分析

6.3.6 剪力墙刚度退化规律

6.3.7 剪力墙强度退化情况

6.4 本章小结

第七章 钢桁架连梁-联肢剪力墙的非线性有限元分析

7.1 分析模型

7.2 弹塑性地震响应时程分析

7.3 低周反复荷载作用下的非线性有限元分析

7.4 本章小结

第八章 钢桁架连梁的设计方法及构造要求

8.1 前言

8.2 受力分析、建议设计公式及构造要求

8.2.1 钢桁架连梁等效刚度

8.2.2 钢桁架连梁建议设计公式

8.2.3 联肢剪力墙钢桁架连梁的弯矩调幅

8.2.4 钢桁架连梁与剪力墙墙肢的连接

8.3 本章小结

第九章 结论与展望

9.1 本文完成的研究工作

9.2 本文主要结论

9.3 展望

参考文献

致谢

附录

攻读博士学位期间发表的论文