装配式钢框架—节能复合墙板结构体系的滞回性能研究

【摘要】：近年来,随着住宅产业化的推行,钢结构作为装配式住宅的优良结构形式,已被广泛应用于住宅建筑中。与钢框架结构配套的墙体材料的选用,也成为钢结构住宅推广应用的关键所在。在国家提倡绿色节能建筑等相关政策的引导下,新型节能复合墙体应运而生。这些墙体具有轻质高强、保温性能好等优点,能满足人们对安全、舒适、环保、节能等多功能的需求,是理想的节能建筑材料。国内外大量研究发现,墙板与钢框架通过一定的方式连接,当结构体系承受水平地震作用时,墙板和钢框架便作为一个整体共同抵抗水平力,墙板不仅对钢框架结构起到围护和分隔作用,同时在结构承受水平荷载作用时也参与了受力。墙板的存在加强了对钢框架梁、柱变形的限制,两者形成一种相互约束的结构体系,有效的提高了结构的抗侧承载力与抗侧刚度,也改善了结构的抗震性能。 目前对带有节能复合墙板钢框架的抗震性能研究还刚刚起步,加上复合墙板的种类众多,墙板与钢框架的连接形式也有所差异,研究成果远未达到成熟的阶段。本文结合住宅产业化与建筑节能的核心理念,提出了装配式节能建筑结构体系——“装配式钢框架—节能复合墙板结构体系”。主体框架采用钢结构形式,梁柱节点采用半刚性端板连接,节能复合墙板采用预制钢丝网架混凝土夹心板。墙板与钢框架的连接方式采用点挂式连接。 本文通过开展低周往复荷载试验,对该结构体系的滞回性能进行了深入研究,并利用大型通用有限元分析软件ABAQUS进行了数值模拟分析。最后结合试验与有限元分析的相关结论,给出了该结构体系的滞回性能参数及设计建议。所开展的主要工作和研究结论如下： (1)设计制作了6榀单层、单跨的缩尺模型试件,对其进行了低周反复加载试验。通过试验系统研究了该结构的破坏模式、滞回性能、刚度退化、变形及延性、耗能能力等。 (2)在试验的基础上,采用ABAQUS对该结构体系进行了建模与计算分析,提出了该结构体系的有限元模型,钢框架与墙板均采用三维壳单元,带钢板斜向支撑的墙板支撑部分采用复合材料层模拟,梁柱端板连接及墙板与钢框架的连接均采用弹簧单元。并进行了对比验证分析与相关参数分析。 (3)试验研究结果表明：该结构具有良好的抗侧力性能与抗震性能,“先墙板,后框架”的破坏模式对结构抗震来说较为安全,且墙板的整体性能较好；带钢板斜向支撑的墙板能明显提高结构的承载能力和极限位移,其延性性能与耗能能力较好；陶粒混凝上墙板其“轻质高强”的特点有利于结构的抗震；墙板与钢框架梁柱连接的结构形式其抗震性能更加优越：该结构体系的初始刚度为空框架结构的2.2～2.9倍,结构延性系数较高,在3.23～4.54范围内,该结构的肯有良好的牦能性能(能量耗散系数E在0.65左右)。 (4)有限元研究结果表明：数值模拟应力应变云图以及结构的变形与试验结果较为一致,墙板要先于钢框架达到其材料的极限强度；数模拟与试验得到滞回曲线形式基本一致,两者的骨架曲线也吻合较好,误差在10%左右。墙板厚度对结构整体的抗侧刚度影响较小；墙板与钢框架相对“柔性”的连接方式,即可以提高结构的抗侧刚度,又能保证结构在较大水平位移时墙板仍有有效的承载能力。 【关键词】：钢框架 节能复合墙板 滞回性能 试验研究 有限元分析
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU398
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 第1章 绪论12-23
• 1.1 课题的研究背景及意义12-14
• 1.1.1 课题研究背景12-14
• 1.1.2 课题研究意义14
• 1.2 带墙板钢框架结构的抗震性能研究现状14-20
• 1.2.1 墙板与钢框架的连接形式14-15
• 1.2.2 挂接墙板钢框架结构的抗震性能研究15-17
• 1.2.3 内填墙板钢框架结构的抗震性能研究17-20
• 1.3 本文的研究工作20-23
• 1.3.1 课题的提出20-21
• 1.3.2 研究内容21-23
• 第2章 试验研究概况23-42
• 2.1 试验目的23
• 2.2 试验模型设计23-29
• 2.2.1 模型概述23-25
• 2.2.2 试件设计25-29
• 2.3 试验装置29-31
• 2.4 测试内容31-34
• 2.4.1 位移计布置31-32
• 2.4.2 钢框架应变片布置32-33
• 2.4.3 墙板应变片布置33-34
• 2.5 加载方案与加载制度34-35
• 2.6 材料性能试验35-42
• 2.6.1 钢材材性35-38
• 2.6.2 混凝土材性38-42
• 第3章 装配式钢框架-复合墙板结构体系的试验分析42-63
• 3.1 试验现象分析42-48
• 3.1.1 试验现象整体描述42-47
• 3.1.2 试验现象分析47-48
• 3.2 试验结果分析48-61
• 3.2.1 滞回曲线48-50
• 3.2.2 骨架曲线50-52
• 3.2.3 刚度退化52-54
• 3.2.4 强度退化54-56
• 3.2.5 延·性56-58
• 3.2.6 耗能58-61
• 3.3 试验小结61-63
• 第4章 装配式钢框架-复合墙板结构体系的有限元分析63-87
• 4.1 ABAQUS有限元基础63-68
• 4.1.1 ABAQUS软件介绍63-64
• 4.1.2 非线性分析方法64-65
• 4.1.3 材料的本构关系65-68
• 4.2 ABAQUS有限元模型建立68-74
• 4.2.1 材料模型及参数68-71
• 4.2.2 有限元单元的选取71-73
• 4.2.3 整体建模73-74
• 4.3 有限元结果分析74-81
• 4.3.1 应力应变云图74-78
• 4.3.2 验证分析78-81
• 4.4 有限元参数分析81-85
• 4.4.1 墙板厚度的影响81-83
• 4.4.2 墙板与钢框架连接节点刚度的影响83-85
• 4.5 有限元分析小结85-87
• 第5章 侧向力的传递及受力性能分析87-92
• 5.1 侧向力的传递87-89
• 5.2 受力性能分析89-92
• 第6章 结论与展望92-95
• 6.1 结论92-93
• 6.2 研究展望93-95
• 参考文献95-99
• 致谢99-100
• 发表论文和参与科研情况100-101
• 学位论文评阅及答辩情况表101

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