钢框架-预制混凝土抗侧力墙装配式结构体系受力性能研究

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1、分类号:TU310710-2011028003博士学位论文钢框架-预制混凝土抗侧力墙装配式结构体系受力性能研究吴函恒导师姓名职称周天华教授申请学位级别工学博士学科专业名称结构工程论文提交日期2014年1月05日论文答辩日期2014年6月09日学位授予单位长安大学万方数据万方数据MechanicalBehaviorResearchonSteelFrame-PrefabricatedConcreteLateralResistanceWallFabricatedStructuralADissertationSubmitt

2、edfortheDegreeofDoctorCandidate：WuHanhengSupervisor：Prof.ZhouTianhuaChang’anUniversity,Xi’an,China万方数据万方数据万方数据万方数据摘要发展预制装配式建筑是实现建筑节能减排和建筑产业化的有效途径，钢结构最大优点是可实现预制装配化，其中钢框架的应用最为广泛，但其抗侧刚度小，工程界常通过增设内填式墙体来提高结构的抗侧刚度，传统的抗侧力墙体存在构造复杂、装配化施工不便、维护成本高等缺点。为实现抗侧力墙体的预制装配化，降低墙体的

3、承担竖向荷载，同时考虑楼板钢筋穿越问题和解决建筑开门窗洞口的需求，提出了一种新型钢框架—预制混凝土抗侧力墙装配式结构体系(SteelFrame-PrefabricatedConcreteLateralResistanceWallFabricatedStructuralSystem)（简称SPW体系），本文通过试验研究和理论分析对SPW体系的受力性能和计算理论进行了系统的研究，主要研究内容如下：（1）研发SPW体系并开展足尺模型试验研究设计和制作了4榀由钢框架与型钢混凝土抗侧力墙、钢筋混凝土抗侧力墙组成的单层单跨足尺

4、模型，对其进行水平低周反复加载试验。对水平荷载作用下结构体系的破坏形式、承载能力、刚度退化、滞回特性、延性及耗能性能进行系统分析，得到墙体的破坏机理、框架与抗侧力墙体的传力路径以及内力分配关系。在试验研究的基础上，对SPW体系的抗震性态水平及性能指标的量化进行探索研究，总结分析结构的破坏顺序和破坏形态，提出五个性能水平的失效判别标准，并给出不同性能水平对应的侧移角限值建议。（2）揭示SPW体系受力性能的影响因素1)分析了抗侧力墙体与框架梁连接界面处的受力特性，对连接界面的抗剪栓钉、锚筋和型钢承担剪力和弯矩作用进行定

5、性、定量分析，得到其分布规律；并对试验模型中的连接件类型提出改进措施，以保证抗侧力墙体与框架梁连接的可靠性。2)从弹性刚度、承载能力、滞回曲线、水平剪力和倾覆弯矩的分配关系、塑性耗能等方面，考察框架柱刚度、约束梁刚度、墙体高宽比、墙体边缘构件的含钢率等因素对结构体系协同受力性能的影响，得到各因素的影响规律。（3）建立SPW体系的计算理论1)建立结构层间抗侧刚度的计算模型，分别推导考虑梁约束效应的墙体和框架柱抗侧刚度计算公式，通过试验数据验证公式的合理性。并将抗侧力墙体简化为“交叉撑杆+竖向杆”的杆系模型，推导刚度等

6、量代换关系，弹性阶段，结构体系可等代为杆系-I-万方数据模型进行的内力分析和变形计算。2)基于连续化的方法，建立钢框架、约束梁和抗侧力墙体协同工作微分方程，提出为反映结构侧向刚度的重要参数λ，求解结构体系在三种典型水平荷载下的内力、位移计算方法。3)根据结构体系的破坏形态，提出不同破坏形态的受剪承载力分析模型和计算简图，建立受剪承载力的计算公式，通过试验数据验证公式的可靠性。（4）提出SPW体系合理刚度比的优化设计方法和设计建议1)以反应谱理论为基础，建立以基底地震剪力为目标函数，最大层间位移角为约束条件的数学优化

7、模型，采用MATLAB高级语言编写优化程序，对钢框架、约束梁和抗侧力墙体的合理刚度比进行优化分析；并对刚度参数λ的影响因素进行分析，并以表格的形式给出不同抗震设防烈度下的特征周期Tg、刚重比η与λ最优值的关系，可供设计参考。2)以弹塑性层间位移的控制为基础，设计了45个钢框架、约束梁和抗侧力墙体不同刚度比的数值模型，其弹性抗侧刚度保持一致，采用弹塑性时程分析的方法，统计得出弹塑性层间位移随刚度参数λ的变化规律，研究表明：①当刚度参数λ为定值情况下，框架刚度CF与约束梁刚度CB的比值对各楼层的层间侧移峰值影响不大；②

8、最大弹塑性层间位移δmax与刚度参数λ有关，在2≤λ≤3之间时，δmax存在最小值点，在此基础上提出刚度参数λ最优值的设计建议。本文的研究工作，论证了新型钢框架—预制混凝土抗侧力墙装配式混合结构体系的可行性和合理性，并为实际工程应用提供了试验依据和理论指导。最后，对需进一步研究的课题进行了讨论。关键词：钢框架、预制混凝土抗侧力墙体、装配式结构、受力性能、计算