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带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙抗震性能研究

作　者: 刘鸿亮
导　师: 蔡健
学　校: 华南理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 约束拉杆双层钢板剪力墙抗震性能纤维模型法有限元分析恢复力模型
分类号: TU352.11
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

超高层建筑结构的剪力墙往往要承担巨大的竖向荷载和地震作用，若采用普通钢筋混凝土剪力墙，其墙体过厚，导致成本增加及结构整体控制困难。因此，研发出承载力高、延性耗能好且施工简便的组合剪力墙是解决此难题的有效途径。本文中提出一种新型带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙，并采用试验研究、理论分析、数值模拟相结合的方法对其力学性能和抗震性能进行了研究，具体开展了以下几方面的研究工作：（1）进行了11个带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙在低周往复荷载作用下的试验研究。试验考察的主要参数为：约束拉杆间距、约束拉杆布置方式、轴压比、剪跨比。分析了上述各个参数对组合剪力墙的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、强度及刚度退化、位移延性系数及耗能等抗震性能的影响。结果表明，带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙具有良好的承载力、延性和耗能能力，是一种抗震性能良好的新型组合构件。（2）采用纤维模型法，基于MATLAB平台，自编程序建立了带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙在压弯状态下数值仿真模型。利用试验结果验证了数值模型，在此基础上，分析了混凝土强度、钢板强度、含钢率、端柱和墙身钢板比例、截面高度、混凝土板厚度、约束拉杆直径、约束拉杆屈服强度、墙身约束拉杆间距、边缘端柱约束拉杆间距等参数对组合剪力墙压弯承载力的影响。最后通过数值回归分析，提出了带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙压弯承载力简化计算公式。（3）提出了适用于ABAQUS分析带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土柱的混凝土应力-应变关系式，并基于ABAQUS平台，编写了能考虑多种材料泊松比在整个受力过程变化的子程序USDFLD，完善了材料的本构模型，分析了带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土柱的工作机理。基于前面基础，建立了带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙有限元分析模型，并利用试验结果验证了此模型。在此基础上，研究了组合剪力墙的工作机理并进行了混凝土强度、钢板强度、截面含钢率、墙体剪跨比等参数的分析。基于承载力叠加原理，提出了带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙抗剪承载力简化计算公式。（4）在试验所获得滞回曲线和骨架曲线的基础上，采用试验拟合法，建立了带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙的骨架曲线，给出了骨架曲线各个关键点的计算公式。通过刚度退化数据的回归分析给出了刚度退化计算公式和基于试验所得滞回曲线的分析描述了强度退化规律，得到了组合剪力墙的滞回规律。基于简化三折线骨架曲线和滞回规律，建立了带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙恢复力模型。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-37
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 相关课题的研究现状  13-35
    1.2.1 型钢混凝土组合剪力墙抗震性能研究  14-18
    1.2.2 钢管混凝土边框组合剪力墙抗震性能研究  18-20
    1.2.3 单层钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能研究  20-26
    1.2.4 双层钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能研究  26-32
    1.2.5 带约束拉杆钢管混凝土柱的力学性能研究  32-35
  1.3 本课题的研究内容与方法  35-37
第二章带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙抗震性能第一批试验研究  37-68
  2.1 概述  37
  2.2 试件设计与制作  37-40
  2.3 材料力学特性  40
  2.4 试验加载装置及量测方法  40-42
  2.5 试验量测内容及测点布置  42
  2.6 试验结果及分析  42-67
    2.6.1 试验现象  42-54
    2.6.2 试验现象分析  54-55
    2.6.3 试验结果分析  55-67
  2.7 本章小结  67-68
第三章带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙抗震性能第二批试验研究  68-97
  3.1 概述  68
  3.2 试件设计与制作  68-70
  3.3 材料力学特性  70
  3.4 试验加载装置及量测方法  70-73
  3.5 试验量测内容及测点布置  73-75
  3.6 试验结果及分析  75-95
    3.6.1 试验现象  75-84
    3.6.2 试验现象分析  84-85
    3.6.3 试验结果分析  85-95
  3.7 本章小结  95-97
第四章带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙压弯承载力简化计算公式研究  97-120
  4.1 引言  97
  4.2 材料的本构模型  97-103
    4.2.1 带约束拉杆方形钢管混凝土柱的受压混凝土等效单轴本构关系  98-100
    4.2.2 带约束拉杆矩形钢管混凝土柱的受压混凝土等效单轴本构关系  100-102
    4.2.3 混凝土受拉本构模型  102
    4.2.4 钢材的本构模型  102-103
  4.3 基本假定及分析步骤  103-105
    4.3.1 基本假定  103-104
    4.3.2 分析步骤  104-105
  4.4 程序介绍及试验验证  105-107
    4.4.1 程序介绍  105-107
    4.4.2 试验验证  107
  4.5 参数分析  107-111
  4.6 带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙压弯承载力简化计算公式  111-119
    4.6.1 轴心受压承载力计算公式  111-112
    4.6.2 纯弯承载力计算公式  112-113
    4.6.3 N-M 相关曲线分界点的计算公式  113-117
    4.6.4 N-M 相关曲线计算公式  117-119
  4.7 本章小结  119-120
第五章带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙抗剪承载力简化计算公式研究  120-160
  5.1 引言  120-121
  5.2 有限元模型的建立  121-130
    5.2.1 材料模型  121-127
    5.2.2 接触模拟  127
    5.2.3 单元类型选取  127
    5.2.4 网格划分  127
    5.2.5 边界条件及加载方式  127-128
    5.2.6 非线性方程组求解  128-130
  5.3 带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土柱工作机理研究  130-140
    5.3.1 核心混凝土受压应力-应变关系曲线  130-131
    5.3.2 USDFLD 子程序  131
    5.3.3 建立有限元模型  131-132
    5.3.4 试验验证  132-134
    5.3.5 工作机理研究  134-140
  5.4 试验验证  140-143
    5.4.1 荷载-位移骨架曲线比较  140-141
    5.4.2 最终破坏形态比较  141-143
  5.5 工作机理研究  143-150
  5.6 相关参数分析  150-152
    5.6.1 混凝土强度等级  151
    5.6.2 钢板屈服强度  151
    5.6.3 截面含钢率  151-152
    5.6.4 墙体剪跨比  152
  5.7 带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙抗剪承载力简化计算公式  152-158
  5.8 本章小结  158-160
第六章带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙简化恢复力模型研究及抗震设计建议  160-170
  6.1 引言  160
  6.2 恢复力模型研究主要方法及相关研究  160-161
    6.2.1 确定恢复力模型主要方法  160-161
    6.2.2 剪力墙恢复力模型相关研究  161
  6.3 带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙恢复力模型研究  161-168
    6.3.1 骨架曲线  161-165
    6.3.2 滞回规律  165-168
  6.4 抗震设计建议  168
  6.5 本章小结  168-170
结论与展望  170-173
  7.1 主要工作  170-171
  7.2 主要结论  171-172
  7.3 研究展望  172-173
参考文献  173-184
攻读博士学位期间取得的研究成果  184-186
致谢  186-187
附件  187

带约束拉杆双层钢板内填混凝土组合剪力墙抗震性能研究

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