考虑混凝土楼板和砌体填充墙作用的钢框架弹塑性地震反应分析

摘要

在住宅产业化政策的推动下，近年来我国钢结构住宅体系的研究和应用与日俱增。随着钢结构住宅这种量大面广的建筑的不断发展，对钢结构框架体系抗震性能更加深入的研究，已成为摆在我们面前急需解决的课题。目前国内外已有不少试验研究和震害调查，均表明混凝土楼板的组合作用及砌体填充墙的存在，会对钢框架的自振特性和地震反应产生较大影响，但关于这两种影响并没有提出很好的理论分析模型。本文在现有纯钢框架理论研究的基础上，提出了考虑楼板组合作用后的框架组合梁分析模型，及框架填充墙的分析模型，利用建立的理论模型进行钢框架体系整体分析，研究混凝土楼板和砌体填充墙对钢框架地震反应的影响，进一步对钢框架抗震设计提出合理建议。为建立框架组合梁分析模型，本文首先进行了钢—混凝土组合梁的弹性单元分析。基于Newmark部分相互作用理论，推导了组合梁平衡微分方程。在此基础上，建立了能考虑混凝土翼板和钢梁部分相互作用的框架组合梁单元弹性刚度方程。算例分析表明，楼板组合作用对钢框架结构的刚度影响较大，并分析了接触面剪切模量的影响。接下来，本文对钢—混凝土组合梁截面的滞回性能进行了研究。通过大量数值计算，分析了各种因素对截面滞回性能的影响，进而建立了组合梁截面弯矩—曲率滞回模型。最后，根据框架组合梁在水平地震作用下的受力变形特点，基于集中塑性铰理论，建立了框架组合梁单元分段变刚度Clough模型弹塑性单元刚度方程。目前，我国关于填充墙钢框架静力和动力性能的研究还较少，而我国现行建筑抗震设计规范中，对钢框架填充墙的规定也还很不完善。基于这种现状，本文首先根据国内外现有的填充墙钢框架研究文献，分析总结了填充墙钢框架结构的静力性能及其影响因素、动力及滞回性能特点、结构强度和刚度分析方法等。进而，针对目前我国建筑市场上大量采用的蒸压轻质加气混凝土(ALC)砌块，结合文献的试验研究成果，提出了ALC砌块框架填充墙的等效斜撑分析模型，并建立了斜撑单元的恢复力模型，通过理论分析与试验结果对比，验证了本文模型的合理性和有效性。进行了带墙钢框架试验模型的模拟地震振动台试验研究。根据试验现象及试验结果分析，发现嵌砌在框架内的填充墙较各类外挂墙板，对钢框架动力特性和地震反应的影响更为显著。进—步又针对ALC砌体填充墙钢框架进行了振动台试验，利用本文提出的框架组合梁和钢框架填充墙分析模型，对试验模型的地震反应进行了模拟，取得了令人满意的效果。最后，通过单层和三层平面钢框架典型结构的弹塑性地震反应分析，分别研究了考虑楼板组合作用和填充墙强度刚度贡献，对钢框架结构自振频率、位移反应、内力反应及结构破坏时框架梁柱塑性铰数量和分布的影响。分析表明，填充墙的存在可能对钢框架的地震反应造成不利影响。因此，通过变化钢框架和填充墙的层刚度比，同时考虑填充墙的不同布置，研究了填充墙对钢框架柱小震下轴力的影响，得出了有益的结论。结合上述混凝土楼板和砌体填充墙对钢框架地震反应的影响研究，提出了钢框架抗震设计的合理建议。本文研究尚属探索性阶段，关于混凝土楼板和砌体填充墙对钢框架抗震性能的影响，今后还需进行大量的试验和理论研究，才能建立更加完善的钢框架抗震设计理论。关键词：钢框架，地震反应分析，组合梁，部分相互作用，单元分析，滞回性能，填充墙，ALC砌块砌体，等效斜撑模型，恢复力模型，振动台试验，塑性铰，抗震设计

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究目的和意义

1.2钢—混凝土组合梁钢框架性能国内外研究现状

1.2.1钢—混凝土组合梁钢框架性能试验研究

1.2.2钢—混凝土组合梁分析方法

1.2.3钢—混凝土组合梁钢框架整体分析

1.3填充墙框架性能国内外研究现状

1.3.1国内填充墙框架性能研究

1.3.2国外填充墙钢框架试验研究

1.3.3国外填充墙框架理论研究

1.4本文的研究工作

1.5参考文献

第2章框架组合梁单元弹性刚度方程

2.1共同作用效应对组合梁弹性抗弯刚度的影响

2.1.1无共同作用时“组合”梁抗弯刚度

2.1.2完全共同作用组合梁抗弯刚度

2.1.3部分共同作用组合梁抗弯刚度

2.2钢—混凝土组合梁单元弹性刚度方程

2.2.1基本假定

2.2.2部分共同作用组合梁平衡微分方程的建立

2.2.3组合梁单元刚度方程

2.2.4等效节点荷载

2.3算例分析

2.4本章小结

2.5参考文献

第3章钢—混凝土组合梁截面滞回模型

3.1往复荷载下钢材和混凝土的本构关系模型

3.1.1钢材应力—应变关系滞回模型

3.1.2混凝土应力—应变关系滞回模型

3.2组合梁截面弯矩—曲率滞回曲线计算

3.2.1计算假定

3.2.2截面划分

3.2.3截面弯矩—曲率关系的计算

3.3弯矩—曲率滞回特性

3.4弯矩—曲率滞回关系影响因素分析

3.5弯矩—曲率滞回模型

3.6本章小结

3.7参考文献

第4章框架组合梁单元弹塑性刚度方程

4.1组合梁分段变刚度模型

4.2分段梁单元刚度方程

4.3集中塑性铰组合梁单元

4.3.1理想塑性铰模型

4.3.2 Clough模型

4.3.3分段组合梁Clough模型

4.4本章小结

4.5参考文献

第5章填充墙钢框架地震反应分析模型

5.1我国抗震规范中填充墙框架的设计特点

5.1.1旧抗震规范

5.1.2新抗震规范

5.2填充墙钢框架性能

5.2.1静力性能

5.2.2填充墙框架性能影响因素

5.2.3刚度和强度分析

5.2.4动力和滞回性能

5.3填充墙钢框架地震反应分析模型

5.3.1层间剪切模型

5.3.2杆系及杆系层模型

5.4 ALC砌块填充墙斜撑单元恢复力模型

5.4.1 ALC砌块填充墙的材料和构造特点

5.4.2试验结果分析

5.4.3 ALC砌块填充墙斜撑单元滞回模型

5.4.4滞回模型的试验验证

5.5本章小结

5.6参考文献

第6章振动台试验研究

6.1模型试验概况

6.1.1试验目的及模型设计

6.1.2模型加工与安装

6.1.3模型质量

6.1.4模型材性试验

6.1.5试验设备和测试方案

6.2试验过程及现象

6.2.1试验加载方案

6.2.2模型宏观破坏现象及主要地震反应特征

6.2.3模型初始自振特性

6.3试验实测结果

6.3.1模型动力特性

6.3.2模型的加速度反应和动力放大

6.3.3试验模型位移反应

6.4试验结果分析

6.4.1墙体对钢框架动力特性的影响

6.4.2试验研究初步结论

6.5 ALC砌块填充墙钢框架振动台试验

6.5.1主要试验结果

6.5.2理论分析与试验结果对比

6.6本章小结

6.7参考文献

第7章楼板和填充墙对钢框架弹塑性地震反应影响分析

7.1前言

7.2结构模型选取

7.3混凝土楼板对钢框架地震反应影响

7.3.1自振频率的影响

7.3.2位移反应的影响

7.3.3内力反应的影响

7.3.4塑性铰的出现、数量和分布

7.4砌体填充墙对钢框架地震反应影响

7.4.1自振频率的影响

7.4.2位移反应的影响

7.4.3内力反应的影响

7.4.4塑性铰的出现、数量和分布

7.5填充墙对钢框架影响参数分析

7.5.1墙-框层刚度比

7.5.2分析模型及其刚度参数

7.5.3填充墙对钢框架自振频率影响参数分析

7.5.4填充墙对钢框架柱轴力影响参数分析

7.6钢框架抗震设计建议

7.7本章小结

7.8参考文献

第8章结论与展望

8.1结论

8.1.1本文主要工作

8.1.2本文主要结论

8.2展望

致谢

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果