箱板式钢结构空间受力单元抗震性能研究

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箱板式钢结构是一种由带肋钢板组成的新型结构体系,其设计理念来源于船舶上部建筑结构,其建造方式为在工厂预制墙板和楼板,在施工现场将预制板件进行焊接拼装,具有施工迅速等优点。船舶上部建筑结构会承受风荷载等作用,而陆地上的建筑结构在抗震设防区需要考虑地震作用。本文选取典型空间受力单元研究其抗震性能,并提出相应的承载力计算公式和构造措施。利用有限元分析软件ABAQUS模拟了2个空间受力单元模型在水平单调荷载作用下的破坏过程,其中2个模型的差别在于角部是否有构造措施。结果表明,角部构造措施对空间受力单元的承载力及延性影响显著。基于有限元分析结果和建筑的使用功能需求,设计制作了4个三层单开间空间受力单元试件,主要研究参数为试件角部的构造措施,以及山墙的洞口位置和面积。对4个试件进行了拟静力加载试验,研究了试件的破坏过程、破坏模式、承载力、滞回性能等,重点分析了有无角部构造措施以及洞口位置和面积对试件抗震性能的影响。研究结果表明,不设角部构造的试件最终破坏时塑性变形主要集中在试件底层,山墙墙板并未受剪屈服,对试件承载力起控制作用的是试件底部的倾覆力矩;设有角部构造的试件,山墙受剪屈服后角部构造底端破坏,最终破坏时山墙上下三层塑性变形比较均匀;试件角部构造措施提高了试件承载力改善了试件延性;与无洞口试件相比,洞口的存在会降低试件的初始刚度和承载力,后续加载过程中相较无洞口试件有洞口的试件延性性能有所提高;洞口对其高度范围内墙板的抗侧刚度削弱越大,试件的初始刚度越小,承载力下降越缓慢。采用有限元分析软件ABAQUS对4个试件的试验过程进行了模拟,对比了试验与有限元的分析结果,验证了本文所采用有限元分析方法的有效性。以不带洞口的空间受力单元为研究对象,分析了墙板高厚比、角部构造的柔度调整系数以及墙板的轴压对其抗震性能的影响。结果表明,墙板的高厚比是影响空间受力单元承载力最显著的因素。根据有限元分析结果给出了角部构造措施柔度调整系数的建议取值范围。基于试验和有限元分析结果,给出了空间受力单元的破坏模式和承载力计算模型,推导了带角部构造措施的空间受力单元的抗侧承载力计算公式,其中带洞口的试件可根据开洞率、墙板高宽比以及洞口高宽比进行折减,通过有限元分析算例验证了承载力计算公式的有效性。
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