防屈曲钢板剪力墙试验研究与有限元分析.docxVIP

防屈曲钢板剪力墙试验研究与有限元分析 0 钢板剪力墙在墙板受力分析试验目的和试验场景 本带墙是一种新型的抗侧力组件，具有良好的延长和能耗能力。目前对无加劲钢板剪力墙的研究较多。但传统的无加劲薄钢板剪力墙的不足之处也比较突出:在水平荷载作用下会发出巨大鼓曲声响并伴随很大的面外变形;在往复荷载作用下刚度会严重退化,滞回环不断捏拢致使耗能能力下降。 为解决上述问题,文献提出了一种防屈曲钢板剪力墙(图1)。在纯钢板剪力墙基础上,用预制混凝土盖板抑制内嵌钢板屈曲,混凝土盖板与内嵌钢板之间通过螺栓连接,但混凝土盖板上预留孔径要大于螺杆直径(孔径的大小由大震作用下钢板和混凝土盖板的相对滑移量决定),此关键构造是保证盖板与内嵌墙板有足够的滑动空间,通过二者可相互错动的变形机制释放盖板的面内受力,仅为钢板提供持续的面外约束。 此外,受“改进型”组合钢板剪力墙的启示,盖板与梁柱之间留有一定间隙(间隙的确定原则是大震作用下框架不应与盖板挤紧),避免混凝土盖板过早与框架接触而损坏。 文献通过试验研究,证实了防屈曲钢板剪力墙性能的优越性。试件的特点在于周边框架无限刚,且梁柱销接,目的是消除框架的影响,着重考察墙板本身的性能。但在实际结构中,墙板往往与受弯框架一起协同抵抗水平剪力,墙板的性能变化对剪力的分担比例有一定影响,而且在周边框架构件刚度有限,框架与墙板共同抗侧的条件下,防屈曲剪力墙性能的优越性还需深入分析验证。 针对上述问题,本文对一个内嵌防屈曲钢板剪力墙(以下简称防屈曲墙)框架试件(图2a)进行试验研究。为方便对比,对一个内嵌非加劲钢板剪力墙(以下简称非加劲墙)框架试件(图2b)与一个内嵌组合钢板剪力墙(以下简称组合墙)框架试件(图2c)也进行了试验。试验旨在通过对比三类钢板剪力墙在低周反复荷载作用下的力学性能(包括强度、刚度、冗余度、滞回耗能、延性以及框架作用、节点区影响、墙板与框架的相互作用等),揭示不同类型钢板墙的受力差异。此外,通过试验可评价不同类型钢板剪力墙诸多构造细节的受力表现,如非加劲墙中鱼尾板与边缘构件的连接构造、防屈曲墙中螺栓的排布形式及混凝土盖板的厚度等。 防屈曲墙作为一种新型抗侧力构件,从性能研究过渡到工程应用的关键在于提出简化的等代分析模型。因此,仔细观察并分析试验现象,特别是内嵌墙板的变形模式和应力响应是试验的另一个关键目的。需要提及的是,非加劲薄钢板剪力墙的等代分析模型Strip Model,其灵感就来源于以拉杆条去替代墙板试验时所观察到的直观拉力带。 1 混凝土板及组合墙试件 将试件设计为两层是为了反映结构楼层之间的相互作用及倾覆力矩对钢板剪力墙整体性能的影响,若将试件设计为二层以上,造价较高。每类钢板剪力墙只制作一个试件,考虑进行少量的精致的性能试验,而不是用大量试件去做类似于参数分析的研究工作。 试件框架柱轴线间距为1300mm,总高度为3425mm,内嵌钢板尺寸为1100mm×1100mm,三类钢板剪力墙的内嵌钢板厚度均为2.2mm,板件宽厚比为λ=500。除内嵌钢板材质为Q235外,试件其余部分材质均为Q345,目的是希望符合“强框架、弱墙板”的概念设计。 为方便内嵌钢板与周边框架的连接,在梁、柱内侧翼缘设6mm厚的鱼尾板,避免内嵌钢板的加工误差或变形造成安装困难。 用于防屈曲墙试件的钢筋混凝土盖板在实验室预制并养护28d,其尺寸为1000mm×1000mm,厚度为50mm,内置HPB235钢筋:6@100,且双向配置,单向体积配筋率约0.5%。盖板上预留40螺栓孔,内嵌钢板相应位置的孔径为13,8.8级M12高强度连接螺栓采用4×4的排布形式,间距240mm,见图2b与图2d。 组合墙试件两侧的混凝土板厚度及配筋与防屈曲墙试件相同。区别在于组合墙试件的混凝土盖板是与内嵌钢板整体现浇,且4×4排布的22栓钉与内嵌钢板预先焊接。 为约束试件的平面外稳定,在非加劲墙试件的顶梁处布置了一道面外支撑,而防屈曲墙及组合墙在中梁附近又增布了一道面外支撑,其原因将结合试验过程详细说明。此外,顶梁及底梁的腹板比中梁设计得更高,因为对于非加劲墙,顶梁及底梁只是单侧存在钢板墙,因“拉力场”作用会产生较大的附加弯矩,而中梁相邻两侧拉力场的竖向分量会有所抵消,受力相对较小。 2 混凝土抗压强度 内嵌钢板取3个试样,实测应力-应变曲线如图3所示,其力学参数取3个试样实测值的平均值:弹性模量E=2.03×105MPa,屈服强度fy=383MPa,屈服应变εy=0.00189,强化模量Et=2.26×103MPa,极限抗拉强度fu=514MPa。 不论混凝土盖板是预制或现浇,混凝土设计强度等级均为C40,试块随试件一起分批浇筑,并取3个标准立方体试块用于材性试验。最终的混凝土抗压强度取试验的平均值:fc=0.76fcu=47MPa,f