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不同高厚比對鋼板剪力墻結構抗震性能的影響

來源:原創論文網 添加時間:2019-12-17

  摘    要: 為了得到更好的抗震結構,通過有限元分析軟件ANSYS對不同高厚比鋼板剪力墻對鋼框架滯回性能影響,研究鋼板剪力墻結構的抗震耗能性能,再此基礎上提出承載能力高和耗能性能好的鋼板剪力墻的高厚比β取值范圍112.5芨β芨150,為結構理論分析和工程應用提供一定的參考價值。

  關鍵詞: 高厚比; 鋼板剪力墻; 承載能力; 耗能性能;

  1、 引言

  中國是一個聞名世界的地震災害嚴重和地震活動強烈的國家,古往今來地震活動特別頻繁,地震活動帶的分布極為廣泛[1]。地震帶來極大的人員傷亡及經濟損失,需要人類采取多樣的抗震和隔震措施加強各類建筑物和構筑物的抗震性,提高建筑結構的承載性能,最大限度地降低地震對人類的傷害,減少地震引發的經濟損失。鋼板剪力墻自重輕,構件截面小,剛度適中,在地震中承受適度的地震力,破壞以剪切屈服為主,具有很好的延性和耗能能力;鋼板剪力墻可充分發揮屈曲后承載力,使結構保持良好延性,利用鋼材塑性發展增加阻力從而提高耗能能力;鋼板剪力墻的尺寸可變,改變尺寸可以達到鋼板剪力墻側移剛度的目的,使設防要求得到滿足;鋼板剪力墻可以根據實際情況進行更換,更換地震中破壞的鋼板剪力墻,可以使結構恢復到原來狀態,回收利用鋼材可節約資源,實現可持續發展理念;鋼板剪力墻的布置形式靈活多樣,由于鋼板剪力墻的尺寸可變,利于在門窗、過道處布置鋼板剪力墻。

  鋼板剪力墻[2][3][4]作為內填構件,充分發揮了其耗能性能,為了尋求更好的抗震結構,本文通過研究不同高厚比對鋼板剪力墻結構抗震性能影響,為理論研究和工程實踐奠定基礎。

  2、 結構模型尺寸

  鋼板剪力墻結構GJ1、GJ2、GJ3和GJ4的鋼板剪力墻截面尺寸l×h×t分別為1200mm×900mm×4mm、1200mm×900mm×6mm、1200mm×900mm×8mm和1200mm×900mm×10mm,結構采用全加勁肋,橫向加勁肋及縱向加勁肋截面尺寸分別為1200mm×50mm×6mm和900mm×50mm×6mm。β=h/t表示鋼板剪力墻的高厚比。

  3、 滯回性能分析

  在柱頂往復荷載作用下,GJ系列鋼板剪力墻內填鋼框架的荷載-位移滯回曲線基本呈對稱形式,又飽滿的滯回環,表明鋼板剪力墻結構的耗能能力良好。在反復荷載作用下,初期時GJ1、GJ2、GJ3有較大的承載力,隨著加載位移的繼續增大,由于鋼板剪力墻逐漸出現屈曲,滯回曲線逐漸下降。由于鋼板剪力墻有較大的屈曲承載能力,所以滯回曲線的下降并不明顯,甚至出現下降后又略微上升的情況。GJ4的鋼板剪力墻高厚比較大,較大的厚度防止了鋼板剪力墻過大的屈曲變形,承載能力未出現降低,在加載后期鋼板剪力墻逐漸屈服,滯回曲線的剛度有所下降。
 

不同高厚比對鋼板剪力墻結構抗震性能的影響
 

  4、 承載能力分析

  GJ1的鋼板剪力墻厚度較薄,達到極限荷載以后,由于鋼板剪力墻屈曲之后結構剛度下降不明顯,結構荷載平穩發展。GJ2、GJ3在達到極限荷載以后,由于鋼板剪力墻屈曲以后結構剛度下降,結構荷載有所下降。GJ4的承載能力并未出現下降段,主要是因為鋼板剪力墻的厚度較大,主要依靠鋼板剪力墻屈服耗能,鋼板剪力墻并未出現明顯屈曲變形,結構梁產生屈曲破壞,導致結構破壞,AN-SYS無法繼續計算。對比分析GJ1、GJ2、GJ3的骨架曲線,可以明顯得出,隨著高厚比減小,屈曲位移也在逐漸增大。

  5、 耗能性能分析

  結構GJ1、GJ2、GJ3和GJ4的屈服荷載分別為640.69kN、774.37kN、834.79kN和837.06kN,結構的極限荷載分別為1060.75kN、1340.33kN、1571.76kN、和1802.74kN,其強屈比分別為1.65mm、1.75mm、1.88mm和2.15mm。結構GJ1、GJ2、GJ3和GJ4的屈服位移2.09mm、2.08mm、1.98mm、和1.86mm,極限位移分別為20mm、24mm、20mm和20mm,其延性系數分別為9.57、11.54、10.10和10.75。分析表明鋼板剪力墻內填鋼框架的屈服荷載和極限荷載隨著鋼板剪力墻的高厚比β的減小而逐漸增大,其安全儲備能力也隨著鋼板剪力墻的高厚比β的減小而逐漸增大,但鋼板剪力墻內填鋼框架的極限位移呈現先增大后減小的趨勢,究其原因,主要是因為鋼板剪力墻內填鋼框架的首先破壞位置逐漸由鋼板剪力墻的屈曲變為鋼梁的屈曲,從而鋼板剪力墻未能起到第一道防線的作用。鋼板剪力墻內填鋼框架結構的延性耗能能力呈現先增大后下降之后又上升的趨勢。

  6、 結束語

  鋼板剪力墻的高厚比β較大時,由于鋼板厚度較小,鋼板剪力墻在位移較小時就出現屈曲變形,導致鋼板剪力墻出現較大的面外變形而使得鋼框架的承載能力較快地降低。鋼板剪力墻內填鋼框架結構的屈服荷載、極限荷載及初始剛度隨著鋼板剪力墻高厚比β的減小而線性增長,但結構的極限位移則呈現先增大后減小的趨勢。

  結構的破壞部位隨著鋼板剪力墻高厚比β的減小而逐漸由鋼板剪力墻的屈曲轉變為鋼梁的屈曲破壞,故在鋼板剪力墻高厚比β較小時,鋼板剪力墻無法起到第一道防線的作用。

  綜合對比分析鋼板剪力墻結構的滯回性能,承載能力,耗能性能,得到鋼板剪力墻結構滯回環飽滿,基本呈對稱形式,耗能能力良好,結構承載能力隨著鋼板剪力墻的高厚比β的減小而線性增長,結構安全儲備能力隨著高厚比的減小而逐漸增大,結構的延性耗能能力呈現先增大后下降之后又上升的趨勢,建議鋼板剪力墻高厚比β的取值范圍為112.5芨β芨150。

  參考文獻

  [1] 趙西安.高層建筑結構實用設計方法(二)-高層建筑結構設計的一般原則[J].建筑科學,1988(2):60-67.
  [2]Habashi H R,Alinia M M. Characteristics of The Wall-frame Interaction in Steel Plate Shear Walls[J]. Journal of Constructional Steel Research,2010,66(2):150-158.
  [3]聶建國,朱力,樊建生,等.鋼板剪力墻抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報,2013,34(1):61-69.
  [4]王萌,楊維國.薄鋼板剪力墻結構滯回行為研究[J].建筑結構學報,2015,36(1):68-77.

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