两边连接低屈服点钢板剪力墙理论分析与试验研究

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钢板剪力墙具有较大的弹性初始刚度、优异的变形能力和稳定的滞回性能等特点,是具有良好发展前景的一种高层结构抗侧力体系,尤其适用于高烈度地震地区的建筑结构。低屈服点钢材具有屈服点低、伸长率大以及塑性变形能力强等优点,将低屈服点钢应用于钢板剪力墙中,势必会拥有更为优越的延性性能和耗能能力。然而,目前国内外关于钢板剪力墙的研究主要集中在四边连接钢板剪力墙,缺乏针对两边连接低屈服点钢板剪力墙的研究。为此,本文提出了一种新型的两边连接低屈服点钢板剪力墙,并对其展开了试验研究和有限元分析。  本文首先开展了低屈服点钢和Q235钢的材料力学性能试验,分别获取了两种钢材的材料屈服强度、抗拉强度、延伸率等关键性能指标。试验结果表明低屈服点钢拥有较低的屈服强度和更好的塑形变形能力。在此基础上,本文又开展了两边连接非加劲、十字加劲和对角交叉加劲低屈服点钢板剪力墙与非加劲Q235钢板剪力墙的低周反复荷载试验研究,揭示了各试验试件的破坏模式、力学性能和耗能机理,给出了各试验试件的滞回曲线、骨架曲线、等效粘滞阻尼系数等滞回性能指标。试验结果表明:低屈服点钢板剪力墙拥有良好的塑形性能和耗能能力,设置加劲肋后其滞回性能得到进一步的提升。  通过ANSYS有限元软件,对四榀钢板剪力墙试验试件建立准确的有限元模型,并进行数值模拟分析。通过计算分析,分别给出钢板剪力墙模型各阶段的受力状态和变形特点,得到各模型的滞回曲线与骨架曲线。将有限元计算结果与试验结果进行对比可知:有限元模型的墙板屈曲模态与试验结果具有较高的相似程度,墙板的滞回曲线与骨架曲线也与试验结果能保持一定程度的吻合,并具有相似的发展趋势。由此表明,采用有限元方法对两边连接钢板剪力墙进行数值模拟计算分析是合理的。  利用ANSYS软件对两边连接非加劲、十字加劲和对角交叉加劲低屈服点钢板剪力墙的弹性屈曲性能进行了有限元参数化分析,分别考察了墙板高厚比、肋板刚度比及边缘构件刚度比等参数对钢板剪力墙弹性屈曲应力的影响。分析结果表明:加设加劲肋和边缘构件均可有效提升钢板剪力墙的弹性屈曲应力,但是使用过大的加劲肋或边缘构件截面是不必要的。根据大量的参数化分析结果,本文分别拟合了适用于上述三种类型钢板剪力墙弹性屈曲应力的简化计算公式。  同时,本文对两边连接非加劲、十字加劲和对角交叉加劲低屈服点钢板剪力墙的滞回性能进行了有限元参数化分析,分别考察了墙板高厚比、肋板刚度比及边缘构件刚度比等参数对其滞回性能的影响,并给出了各参数的设计建议取值。  最终,本文根据钢板剪力墙的骨架曲线提出了双折线恢复力模型,该模型适用于高厚比100≤λ≤300且加设边缘构件的两边连接十字加劲和对角交叉加劲低屈服点钢板剪力墙。在此基础上,建立了等效支撑简化模型,提出了以杆系模型代替板壳模型进行计算分析的方法。并将简化模型的计算结果和ANSYS板壳模型的计算结果进行对比,验证了等效支撑简化模型的准确性。并以算例的形式介绍了运用等效支撑简化模型进行工程计算分析的基本方法。
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