基于叠纸机构原理的折痕钢板剪力墙：耗能机理及抗震性能研究

摘要

随着建筑工业化进程的不断推进，装配式框架结构的应用越来越广，钢板剪力墙对其发展起到了积极的推动作用。大量的数值模拟和试验研究表明平板式钢板剪力墙能提升框架的抗侧刚度和一定的抗震性能，可适用于高烈度地震地区的结构。但钢板剪力墙在侧向荷载作用下容易过早发生面外屈曲，屈曲后的承载力和延性较差。本文根据平板式钢板剪力墙拉力带的受力耗能机制，基于叠纸机构原理提出了新型的折痕钢板剪力墙。折痕钢板剪力墙由多个叠纸机构单元按照一定顺序排列组合而成。叠纸机构在荷载作用下，折痕将产生机械铰。而当将叠纸机构单元应用于钢板剪力墙时，钢板剪力墙在侧向荷载作用下，折痕可引导塑性铰线的出现，从而提高钢板剪力墙在地震作用下吸收能量的能力。本文针对折痕钢板剪力墙的力学性能及滞回特性进行了研究，探究其在侧向荷载作用下的塑性变形过程及受力机理，得出相关结论。
　　本文首先提出4种叠纸机构形式，对叠纸机构及折痕钢板剪力墙进行形态分析。分析叠纸机构单元在荷载作用下的变形趋势，并考察叠纸机构能否引导折痕钢板剪力墙发生折叠式变形。最终选择Ⅳ型叠纸机构作为折痕钢板剪力墙的组成单元。较于平板式钢板剪力墙，试件WIV-45°的极限承载力被削弱了近10％，但延性提升了近8倍。
　　其次，将Ⅳ型叠纸机构单元按照一定规律组成折痕钢板剪力墙，通过数值模拟对其进行弹塑性屈曲分析，考察单元尺寸、单元矢跨比、单元放置角度及钢板的板幅变化时，对折痕钢板剪力墙初始刚度、极限承载力及延性的影响。根据弹塑性屈曲分析结果，给出单元参数的建议取值范围。
　　对折痕钢板剪力墙的滞回特性开展研究。通过对比折痕钢板剪力墙的滞回曲线、骨架曲线以及耗能系数等特征参数，分析叠纸机构单元的参数变化对折痕钢板剪力墙滞回性能影响。各试件耗能系数均接近2.0，说明叠纸机构的引入可提升钢板剪力墙的力学性能及耗能性能。特定板幅的折痕钢板剪力墙，应当选择合适的单元尺寸、单元矢跨比及单元放置角度，从而得到耗能性能和力学性能均较好的钢板剪力墙。
　　最后，本文对折痕钢板剪力墙-框架结构进行分析，考察折痕钢板剪力墙与框架协同工作时对框架性能的提升。结果表明，折痕钢板剪力墙与框架协同受力时，结构的抗侧刚度提升近1.3倍。折痕钢板剪力墙提升结构抗侧刚度的同时，也提高了结构的抗震性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 课题研究的意义

1．3 钢板剪力墙的发展

1．4 叠纸机构

1．4．1 折纸艺术及叠纸机构

1．4．2 基于叠纸机构梁柱力学性能研究

1．5 目前存在的问题

1．6 本文的研究内容

参考文献

第二章 适用于折痕钢板剪力墙的叠纸机构形态分析

2．1 概述

2．2 叠纸机构

2．2．1 叠纸机构的概念

2．2．2 叠纸机构的分类

2．3 基于叠纸机构的折痕钢板剪力墙

2．3．1 分析方法

2．3．2 设计要求

2．4 形态分析

2．4．1 Ⅰ型叠纸机构

2．4．2 Ⅱ型叠纸机构

2．4．3 Ⅲ型叠纸机构

2．4．4 Ⅳ型叠纸机构

2．5 本章小结

参考文献

第三章 折痕钢板剪力墙的有限元分析

3．1 概述

3．2 有限元分析

3．2．1 分析方法

3．2．2 材料本构及单元选取

3．2．3 初始缺陷

3．2．4 边界条件

3．2．5 加载制度

3．3 模型验证

3．4 有限元验证

3．4．1 有限元模型

3．4．2 模态分析

3．4．3 结果分析

3．5 本章小结

参考文献

4．1 概述

4．2 单元参数选取

4．3 单元尺寸对屈曲性能的影响

4．4 单元矢跨比对屈曲性能的影响

4．5 整体参数对对屈曲性能的影响

4．5 本章小结

参考文献

第五章 折痕钢板剪力墙滞回性能分析

5．1 概述

5．2 分析模型

5．3 计算结果与分析

5．4 本章小结

参考文献

第六章 带折痕钢板剪力墙的框架抗震性能分析

6．1 概述

6．2 分析模型

6．2．1 Benchmark框架参数

6．2．2 荷载分布

6．2．3 有限元模型

6．3 计算结果与分析

6．3．1 纯框架

6．3．2 带平板式钢板剪力墙框架

6．3．3 带折痕钢板剪力墙框架

6．4 本章小结

参考文献

7．1 结论

7．2 展望

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的论文