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框架摇摆墙结构抗震性能研究

作　者: 曹海韵
导　师: 潘鹏
学　校: 清华大学
专　业: 结构工程
关键词: 摇摆墙框架节点倒塌有限元
分类号: TU352.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

框架结构在地震中容易在薄弱层出现层屈服破坏机制，为改善框架结构的抗震性能，在框架结构中加入了摇摆墙，形成一种新型结构体系。摇摆墙是底部铰接的墙体，摇摆墙的加入迫使结构形成整体屈服破坏模式，避免层屈服破坏模式的产生。框架摇摆墙结构体系可以增加结构整体承载力，并充分发挥整个结构的耗能能力，并从而提高结构的抗倒塌能力。摇摆墙的承载力需求是设计框架摇摆墙结构的关键之一，本文通过假设地震力分布和框架承载力的方式，得出了极限状态下摇摆墙墙结构的承载力需求，为框架摇摆墙结构的设计提供了依据。此外，将摇摆墙视为刚性约束，通过理论推导得出摇摆墙对框架一阶周期的影响小于10%。为研究该类抗震性能，本文对框架摇摆墙结构进行了有限元模拟。分析模型是以一个按现行规范设计的位于七度区6层的混凝土框架。本文建立了该框架结构有限元模型以及框架摇摆墙结构的有限元模型，并对其进行了推覆分析。分析结果表明：（1）摇摆墙可以明显提高结构延性及整体承载力；（2）摇摆墙可改变结构的变形分布，防止层屈服破坏模式的出现。为进一步研究框架摇摆墙的在地震中的行为，采用25条地震波进行了弹塑性动力时程分析，结果表明结果表明增加摇摆墙后，结构层间变形趋于均匀，最大层间变形得以减小，残余变形得到了有效控制。然后，利用有限元程序建立了这个结构的简化的质点串模型。利用10条地震波进行了动力时程分析，得出了类似的结论，同时证了用该结构可利用简化的层模型进行设计与分析。摇摆墙与框架相连的节点构造是实现该体系的关键。针对框架摇摆墙体系特殊的性能需求设计了一种新型节点，并进行了实验研究。通过一系列实验测试并验证了采用该节点的摇摆墙的转动能力、附加刚度、控制效果以及连接件间隙。运用整体刚度和变形集中系数（DCF）两个参数评价了摇摆墙和连接件的性能。结果表明：该连接件可使摇摆墙具有足够的转动能力，连接件间隙满足工程需求，且连接构造不显著增加结构刚度。试验中由于摇摆墙的作用，结构变形分布均匀化，良好的控制了结构变形集中效应。之后，在摇摆墙体中张拉竖向预应力，使摇摆墙具备了自复位能力。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-10
主要符号对照表  10-12
第1章引言  12-23
  1.1 框架摇摆墙结构体系及关键问题  12-13
  1.2 框架摇摆墙体系文献综述  13-21
    1.2.1 摇摆墙概念的提出  13-17
    1.2.2 框架摇摆墙结构的工程应用  17-19
    1.2.3 关于摇摆墙控制效果的研究  19-20
    1.2.4 框架摇摆墙结构待解决的问题  20-21
  1.3 本课题研究的目的与内容  21-23
第2章框架摇摆墙结构刚度与周期理论推导  23-39
  2.1 摇摆墙对框架刚度的影响  23-24
  2.2 阻尼器刚度对框架刚度的影响及阻尼的估算  24-28
  2.3 摇摆墙对结构周期的影响  28-33
    2.3.1 三层结构离散解  28-30
    2.3.2 剪切结构连续解  30-33
  2.4 摇摆墙承载力需求  33-38
  2.5 本章小结  38-39
第3章框架摇摆墙结构有限元分析  39-83
  3.1 混凝土框架摇摆墙结构推覆分析  39-52
    3.1.1 结构模型  39-41
    3.1.2 材料本构  41-42
    3.1.3 建模方案  42
    3.1.4 加载方案  42-45
    3.1.5 Pushover结果  45-52
    3.1.6 小结  52
  3.2 混凝土框架摇摆墙结构地震时程分析  52-73
    3.2.1 地震动选波  52-54
    3.2.2 计算结果  54-68
    3.2.3 结果分析  68-73
    3.2.4 小结  73
  3.3 框架摇摆墙结构简化模型动力时程分析  73-82
    3.3.1 摇摆墙体系抗震性能概述  74
    3.3.2 结构模型  74-77
    3.3.3 典型地震动输入  77-78
    3.3.4 抗震性能对比  78-82
    3.3.5 小结  82
  3.4 本章小结  82-83
第4章框架摇摆墙结构实验及节点设计  83-113
  4.1 实验目的  83-84
  4.2 试件设计  84-107
    4.2.1 钢框架  84-88
    4.2.2 预应力筋滑车  88-90
    4.2.3 摇摆墙  90-96
    4.2.4 墙下铰节点  96-102
    4.2.5 楼层连接件  102-107
  4.3 试验场地及设备  107-110
  4.4 实验流程  110-112
  4.5 小结  112-113
第5章框架摇摆墙结构拟静力实验  113-183
  5.1 框架结构试验步骤及结果  113-132
    5.1.1 试验工况及测点  113-114
    5.1.2 框架实验工况a顶层位移控制循环加载  114-119
    5.1.3 框架实验工况b 3:2:1力控制循环加载  119-124
    5.1.4 框架实验工况c 1:1:1力控制循环加载  124-128
    5.1.5 框架实验工况d底层位移控制循环加载  128-132
  5.2 摇摆墙结构拟静力实验步骤及结果  132-154
    5.2.1 试验目的、工况及测点  132-135
    5.2.2 摇摆墙实验工况a顶层位移控制循环加载  135-142
    5.2.3 摇摆墙实验工况b3:2:1力控制循环加载  142-145
    5.2.4 摇摆墙实验工况c1:1:1力控制循环加载  145-150
    5.2.5 摇摆墙实验工况d底层位移控制循环加载  150-154
  5.3 自复位结构拟静力实验  154-167
    5.3.1 自复位结构实验题及测点  154-156
    5.3.2 自复位实验工况a顶层位移控制循环加载  156-159
    5.3.3 自复位实验工况b3:2:1力控制循环加载  159-163
    5.3.4 自复位实验工况c1:1:1力控制循环加载  163-167
  5.4 摇摆墙面外拟静力实验  167-175
    5.4.1 摇摆墙面外实验体及测点  167-169
    5.4.2 摇摆墙面外实验工况a顶层位移控制循环加载  169-175
  5.5 拟静力试验小结  175-182
  5.6 本章小结  182-183
第6章框架摇摆墙结构拟动力实验  183-203
  6.1 实验概况  183-186
  6.2 框架结构拟动力试验  186-191
    6.2.1 三层框架结构Elcentro波  187-188
    6.2.2 三层框架结构卧龙波  188-189
    6.2.3 六层框架结构Elcentro波  189-190
    6.2.4 六层框架结构卧龙波  190-191
  6.3 摇摆墙结构拟动力实验  191-195
    6.3.1 三层摇摆墙结构Elcentro波  191-192
    6.3.2 三层摇摆墙结构卧龙波  192-193
    6.3.3 六层摇摆墙结构Elcentro波  193-194
    6.3.4 六层摇摆墙结构卧龙波  194-195
  6.4 自复位结构拟动力试验  195-200
    6.4.1 三层自复位结构Elcentro波  195-196
    6.4.2 三层自复位结构卧龙波  196-198
    6.4.3 六层自复位结构Elcentro波  198-199
    6.4.4 六层自复位结构卧龙波  199-200
  6.5 拟动力试验小结  200-202
  6.6 本章小结  202-203
第7章结论及展望  203-205
参考文献  205-207
致谢  207-209
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  209

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