无粘结内藏钢板支撑剪力墙滞回性能及其应用研究

摘要

钢支撑的滞回性能直接影响着中心支撑钢框架结构的抗震性能。常规钢支撑在罕遇地震下受压失稳后，支撑的滞回性能将出现退化，其耗能能力和受压强度得不到充分利用，不利于结构的抗震。为避免钢支撑受压失稳和改善其耗能性能，可以在支撑上安装约束构件做成防屈曲支撑（buckling-restrained brace，简称 BRB）。无粘结内藏钢板支撑剪力墙(unbonded steel plate brace encased in reinforced concrete panel)是由内藏的钢板支撑和外包的钢筋混凝土墙板组成的一种防屈曲支撑墙板(Panel BRB)。通常，在钢板支撑与墙板孔道间覆设无粘结材料或留置间隙来隔离粘结力并消除支撑受压时因泊松效应对墙板的胀裂作用。因支撑受压失稳得到抑制，支撑墙板在拉压作用下均可屈服，钢材的强度和耗能能力得到充分利用，在需要较多隔墙的建筑中有较好的应用前景。本文通过试验研究和数值模拟，对支撑墙板的滞回性能和构造措施等问题进行了较系统的研究。通过对由支撑墙板做抗侧力构件的防屈曲支撑框架结构抗震性能的分析研究，提出了该结构体系的抗震设计方法和相关建议。
　　通过7个单斜和6个人字形支撑墙板的拟静力试验，考察了无粘结材料及支撑与墙板间的间隙、墙板内的构造措施以及有效宽度墙板等因素对支撑墙板滞回性能的影响。试验结果表明，受压支撑在墙板孔道中发生了多波失稳，间隙较小且均匀的试件滞回性能较好。当与采用普通混凝土墙板的试件的其他构造相同时，采用有效宽度墙板的试件的滞回性能也不错，但其自重小，有利于墙板的安装和结构抗震。试件最终破坏形式为墙板的局部冲切或弯曲破坏，破坏前，试件滞回曲线饱满稳定。因支撑受压后与墙板间存在摩擦力和往复作用下钢材的应变硬化，支撑屈服后承载力进一步提高，试验骨架曲线呈双折线型。根据试验结果，提出了支撑墙板的滞回模型和简化模拟方法，可为结构弹塑性抗震分析提供参考。
　　应用ABAQUS程序，综合考虑材料、几何和接触非线性，对支撑墙板试件的滞回性能进行了数值模拟，考察了往复轴向作用下支撑与墙板的受力状态和相互作用，重点探讨了间隙和摩擦力对支撑墙板滞回性能的影响，提出了适宜间隙的设计建议。另外，通过参数分析，考察了支撑初始弯曲、支撑和墙板的板厚和强度、支撑钢板宽度、支撑钢板宽厚比、支撑和墙板间的摩擦力以及沿板厚方向的间隙、加劲肋等构造因素对单斜支撑墙板受力性能的影响。分析表明，随间隙的增大，支撑失稳半波增多，对墙板的冲剪作用增大。当取适宜间隙时，加劲肋的设置可避免墙板端部冲剪破坏，而不设置加劲肋时，墙板端部开裂和破坏提前。为避免支撑较早局部屈曲，减小支撑失稳半波数和对墙板的冲剪作用，支撑宽厚比宜小于19。为避免墙板较早受弯开裂，建议制作中控制支撑的初始弯曲矢高小于其长度的千分之一。大量的参数分析结果表明，为避免支撑墙板整体失稳所需的墙板与支撑的厚度比受支撑及墙板的板厚和强度等因素的影响，在所建议的分析参数范围内，本文给出了回归公式，可用来确定最小厚度比。
　　应用ANSYS程序，考虑材料、几何非线性，对由人字形和V形支撑墙板做抗侧力构件的梁柱刚接的钢框架结构的抗震性能进行了分析。结果表明，多遇地震下，支撑对被撑梁具有竖向支点作用；罕遇地震下，因支撑屈服后累积塑性变形的增加，其对被撑梁的竖向支点作用大幅降低。不计支撑超强但考虑支点作用情况下设计的被撑梁塑性发展严重，挠度较大，支撑累积的塑性变形也较大。计及支撑超强但不考虑支点作用来设计被撑梁的做法较切合实际，被撑梁的塑性发展和挠度均减小，支撑累积的塑性变形较小，符合支撑主要抗侧的设计目的。近似按结构第一阶振型下支撑轴力分布来设计支撑跨框架柱时，柱子塑性发展较小，实现了防屈曲支撑框架主要利用 BRB耗能和尽量保持框架处于弹性的抗震设计目的。不同屈服点的人字形支撑墙板均具有良好的耗能能力，其耗能能力的发挥取决于结构的响应。
　　对采用人字形普通中心支撑（OCB）、特殊中心支撑（SCB）和支撑墙板做抗侧力构件的钢框架结构的抗震性能的对比分析表明，在层间位移均小于限值的前提下，采用支撑墙板和SCB的结构的基底剪力及用钢量明显低于采用OCB的结构。OCB和SCB受压大幅失稳后，支撑对被撑梁产生较大的竖直向下的剪力，而支撑墙板大幅屈服后几乎无此剪力。
　　对由支撑墙板做抗侧力构件的双重抗侧力体系的抗震分析表明，随框架的调整加强，结构的层间侧移和塑性发展程度减小，但用钢量增大。建议双重体系设计中框架的调整加强，宜按照删除支撑后的框架所能独立承担结构底部总剪力的25％来进行。

目录

无粘结内藏钢板支撑剪力墙滞回性能及其应用研究

HYSTERETIC BEHAVIOR AND APPLICATION OF UNBONDED STEEL PLATE BRACE ENCASED IN REINFORCED CONCRETE PANEL

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2国内外的研究现状及分析

1.2.1 防屈曲支撑的形式及工作机理

1.2.2 国内外的研究现状

1.3本课题的来源和主要研究内容

第2章 无粘结内藏钢板支撑剪力墙滞回性能的试验研究

2.1概述

2.2试件设计和制作

2.2.1 试件形式和尺寸

2.2.2 试件的制作

2.2.3 试件的编号

2.3试件的材性

2.4试验方案

2.4.1加载装置

2.4.2加载方案和测量内容

2.5试验结果及分析

2.5.1试件的破坏形式

2.5.2试件局部破坏分析

2.5.3试件应变分析

2.5.4滞回性能分析

2.6支撑墙板的简化模拟

2.7本章小结

第3章 无粘结内藏钢板支撑剪力墙滞回性能的数值模拟

3.1概述

3.2有限元模型的建立

3.2.1 混凝土本构模型

3.2.2 钢材本构模型

3.2.3 支撑与墙板之间的相互作用

3.2.4 有限元模型的建立

3.2.5 求解方法

3.3数值模拟结果分析

3.4支撑与墙板孔壁间适宜间隙量值的设计建议

3.5本章小结

第4章 无粘结内藏钢板支撑剪力墙构造参数分析

4.1概述

4.2有限元模型的建立

4.2.1 支撑墙板的构造

4.2.2 支撑墙板的有限元模型

4.3参数分析结果

4.4本章小结

第5章 采用无粘结内藏钢板支撑剪力墙的支撑框架结构的抗震性能研究

5.1概述

5.2防屈曲支撑的滞回模型

5.2.1 Bouc-Wen 模型

5.2.2 N-ε滞回模型

5.2.3 双线性滞回模型

5.3算例对比分析

5.4人字形防屈曲支撑框架结构的抗震性能分析

5.4.1 结构概况

5.4.2 算例设计

5.4.3 结构的有限元模型及动力特性

5.4.4 结构的时程分析

5.5支撑屈服强度不同的人字形BRBF的抗震性能分析

5.5.1算例设计

5.5.2结构的动力特性

5.5.3结构的时程分析

5.6 V形BRBF的抗震性能分析

5.6.1算例设计

5.6.2结构的动力特性

5.6.3结构的时程分析

5.7防屈曲、普通和特殊中心支撑框架结构的抗震性能分析

5.7.1结构概况

5.7.2算例设计

5.7.3结构的有限元模型及动力特性

5.7.4结构的动力反应分析

5.8本章小结

第6章 钢框架-无粘结内藏钢板支撑剪力墙双重抗侧力体系的抗震性能探讨

6.1 概述

6.2 10层框架－支撑墙板结构

6.2.1框架－支撑墙板结构的算例设计

6.2.2结构的有限元模型及动力特性

6.2.3结构的动力反应分析

6.2.4结构的推覆分析

6.3 30层框架－支撑墙板结构

6.3.1算例设计

6.3.2结构的有限元模型及动力特性

6.3.3结构的动力反应分析

6.4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历