多層冷成型鋼組合墻體抗側(cè)試驗(yàn)及簡(jiǎn)化計(jì)算方法研究.pdf

1、我國(guó)建筑業(yè)的工業(yè)化發(fā)展對(duì)建筑技術(shù)提出了新要求，提高住宅建筑工業(yè)化水平是實(shí)現(xiàn)綠色建筑、綠色施工的重要途徑。冷成型鋼房屋住宅結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu)體系，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、環(huán)保節(jié)能、施工快捷等特點(diǎn)，滿足了建筑工業(yè)化的要求，在歐美、澳洲和日本等地區(qū)已廣泛應(yīng)用于低層住宅。我國(guó)對(duì)冷成型鋼住宅結(jié)構(gòu)體系的研究起步較晚，針對(duì)我國(guó)人多地少的基本國(guó)情，將冷成型鋼住宅結(jié)構(gòu)從低層發(fā)展到多層更具有現(xiàn)實(shí)意義。為此，葉繼紅教授課題組提出了一種能兼顧結(jié)構(gòu)豎向承載、水平抗側(cè)和抗

2、火等要求的多層冷成型鋼住宅結(jié)構(gòu)體系，其主要抗側(cè)部件為以連續(xù)方鋼管混凝土柱為邊柱的冷成型鋼組合墻體。本文針對(duì)該體系若干關(guān)鍵抗側(cè)問(wèn)題——梁柱節(jié)點(diǎn)真實(shí)連接性能、循環(huán)荷載作用下單層及多層組合墻體力學(xué)行為及其數(shù)值模擬手段、組合墻體簡(jiǎn)化計(jì)算方法等方面展開(kāi)系統(tǒng)試驗(yàn)與理論研究。主要內(nèi)容與結(jié)論如下:
　　1.為了準(zhǔn)確計(jì)算多層冷成型鋼住宅結(jié)構(gòu)體系的實(shí)際受力，應(yīng)在其整體結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)中考慮節(jié)點(diǎn)真實(shí)連接的非線性影響。本文首先針對(duì)多層冷成型鋼住宅結(jié)構(gòu)體系

3、創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)兩類新型梁柱連接節(jié)點(diǎn)，通過(guò)7個(gè)梁柱節(jié)點(diǎn)低周反復(fù)循環(huán)加載試驗(yàn)，對(duì)兩類新型節(jié)點(diǎn)的連接性能進(jìn)行了對(duì)比研究，在此基礎(chǔ)上，建立了節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系預(yù)測(cè)模型以及有限元分析模型，得到以下結(jié)論:①在循環(huán)荷載作用下，加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)的梁柱未發(fā)生破壞，而加強(qiáng)塊節(jié)點(diǎn)的破壞模式為梁截面彈性彎曲破壞，具有一定彎矩傳遞能力;②兩類節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線均經(jīng)歷了彈性階段、非線性階段和最終破壞階段;相比于加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)，加強(qiáng)塊節(jié)點(diǎn)的連接性能更好，更符合多層冷成型鋼住

4、宅結(jié)構(gòu)的要求;③梁翼緣彈性屈曲極限承載力可作為加強(qiáng)塊節(jié)點(diǎn)的彈性臨界點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的梁端彎矩由梁截面的彈性抗彎承載力決定;④改進(jìn)的Richard-Abbott模型能夠較好地?cái)M合加強(qiáng)塊節(jié)點(diǎn)的mr-θr關(guān)系曲線，可用于預(yù)測(cè)不同規(guī)格梁截面加強(qiáng)塊節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系;基于OpenSees建立的梁柱節(jié)點(diǎn)非線性有限元模型能夠反映加強(qiáng)塊節(jié)點(diǎn)的真實(shí)連接性能。
　　2.對(duì)9片單層強(qiáng)邊柱冷成型鋼組合墻體進(jìn)行足尺抗剪試驗(yàn)，試驗(yàn)考察了立柱形式、墻板材料及墻體開(kāi)洞

5、等因素對(duì)墻體抗剪性能的影響，結(jié)果表明:①在循環(huán)荷載作用下，墻體的破壞模式包括螺釘連接件失效、骨架變形和墻板破壞;方鋼管混凝土邊柱能有效抑制螺釘傾斜，墻體破壞時(shí)邊柱螺釘被剪斷;②螺釘連接件對(duì)墻體的抗剪性能起著主導(dǎo)作用，墻體荷載-位移滯回曲線與傳統(tǒng)雙拼C型邊柱墻體具有相似的捏攏特點(diǎn);③與傳統(tǒng)雙拼C型邊柱墻體相比，強(qiáng)邊柱冷成型鋼組合墻體的抗剪強(qiáng)度和抗剪剛度均可提高30％以上;增大立柱厚度可改善墻體延性，而采用雙拼C型中柱對(duì)墻體抗剪強(qiáng)度提高不明

6、顯;④蒸壓加氣混凝土板（ALC板）組合墻體的抗剪強(qiáng)度低，在ALC板組合墻體的基礎(chǔ)上增加一層玻鎂板后，組合墻體的抗剪強(qiáng)度提高達(dá)58.1％;⑤開(kāi)洞墻體抗剪承載力隨洞口尺寸的增大而減小，且與洞口位置有關(guān)。對(duì)比開(kāi)洞墻體抗剪承載力的試驗(yàn)值和規(guī)范值發(fā)現(xiàn)，AISI規(guī)范的開(kāi)洞組合墻體抗剪承載力計(jì)算方法對(duì)于本文邊柱加強(qiáng)型冷成型鋼開(kāi)洞組合墻體不再適用。為此，本文對(duì)強(qiáng)邊柱冷成型鋼組合墻體的受力機(jī)理進(jìn)行分析，提出了確定開(kāi)洞墻體抗剪承載力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，計(jì)算誤差

7、在8％以內(nèi)。
　　3.在國(guó)內(nèi)率先對(duì)多層冷成型鋼組合墻體進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，通過(guò)7片試件直觀展現(xiàn)了多層組合墻體的抗側(cè)性能，試驗(yàn)考察了立柱形式、立柱截面大小、層間作用等因素對(duì)墻體抗側(cè)性能的影響，結(jié)果表明:①水平荷載作用下，試件破壞集中于底層墻體，其破壞模式與單層墻體相似;結(jié)構(gòu)高寬比小于2的雙層試件發(fā)生剪切型破壞，而對(duì)于結(jié)構(gòu)高寬比大于3的三層試件，其破壞類型傾向于彎曲型破壞;②采用方鋼管混凝土邊柱后，多層墻體的強(qiáng)度和變形能力得到顯著提

8、高，且墻體屈服后表現(xiàn)出更好的耗能能力;③方鋼管混凝土邊柱截面由□89增大至□140后，對(duì)于未開(kāi)洞墻體，其底層彈性剛度可提高約41.5％，且當(dāng)開(kāi)洞率不超過(guò)20.8％時(shí)，墻體上部結(jié)構(gòu)的變形能力幾乎沒(méi)有削弱;④由于上部結(jié)構(gòu)作用，底層墻體的抗剪強(qiáng)度低于相應(yīng)的單層墻體，且方鋼管混凝土邊柱截面較小時(shí)，試件的抗剪承載力降低幅度較小。此外，結(jié)合單層墻體試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)墻體開(kāi)洞及洞口位置的影響進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明，單層開(kāi)洞墻體抗剪承載力簡(jiǎn)化計(jì)算方法同樣適用

9、于中部開(kāi)洞的多層墻體，且計(jì)算精度理想;單層和多層邊部開(kāi)洞墻體的抗剪承載力均可按洞口以外凈墻長(zhǎng)確定。
　　4.在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用Opensees軟件對(duì)有限元數(shù)值模擬組合墻體力學(xué)性能的方法展開(kāi)研究，得到以下結(jié)論:①基于螺釘連接的組合墻體建模方法可以準(zhǔn)確得到單層強(qiáng)邊柱冷成型鋼組合墻體的受剪力學(xué)特性，墻體各抗剪性能指標(biāo)與試驗(yàn)值的最大誤差在13％以內(nèi);②Pinching4材料本構(gòu)模型可以準(zhǔn)確定義螺釘連接件材性，墻體荷載-位移滯回曲線的

10、捏攏特征能得以充分體現(xiàn);③建立中部開(kāi)洞墻體的有限元分析模型時(shí)，可將洞口上部墻體簡(jiǎn)化為線彈性梁，并在梁兩端設(shè)置水平力彎矩組，以模擬洞口上部墻體與洞口邊柱之間的彎矩傳遞;建立邊部開(kāi)洞墻體的有限元分析模型時(shí)，可忽略洞口上部墻體作用，僅對(duì)洞口以外的凈墻部分建立分析模型;④基于螺釘連接的組合墻體建模方法可有效預(yù)測(cè)倒三角荷載作用下雙層組合墻體的抗側(cè)性能，且計(jì)算結(jié)果安全可靠;對(duì)于頂部集中荷載作用下高寬比較大的多層組合墻體，通過(guò)合理簡(jiǎn)化，建立僅考慮各層

11、墻體周邊螺釘連接作用的簡(jiǎn)化分析模型可得到與試驗(yàn)結(jié)果相吻合的墻體抗側(cè)性能。
　　5.為了建立一種既便于數(shù)學(xué)描述又能全面反映強(qiáng)邊柱冷成型鋼組合墻體受剪力學(xué)特性的理論滯回模型，本文在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上深入研究強(qiáng)邊柱冷成型鋼組合墻體滯回規(guī)律，分兩步建立其滯回模型:①采用離散坐標(biāo)法建立墻體荷載-位移骨架曲線，得到不同加載級(jí)下滯回環(huán)的控制變形和荷載;②采用分段函數(shù)模型建立各控制變形下的滯回環(huán)，進(jìn)而建立墻體的滯回模型，并給出了滯回模型各控制參數(shù)的

12、確定方法。最后，根據(jù)他人試驗(yàn)結(jié)果對(duì)本文滯回模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明:①影響墻體荷載-位移骨架曲線發(fā)展趨勢(shì)的基本因素為墻體的彈性抗側(cè)移剛度Ke和抗剪承載力FFp;②分段函數(shù)滯回模型能全面反映強(qiáng)邊柱冷成型鋼組合墻體的滯回特性，且模型表達(dá)式直觀、各參數(shù)物理意義明確;⑧傳統(tǒng)BWBN微分模型、EPHM模型、退化四線型Pivot滯回模型以及三段式非線性滑移滯回模型適用于普通雙拼C型邊柱組合墻體，并局限于低層冷成型鋼結(jié)構(gòu)房屋;相比而言，分段函數(shù)滯回模型

13、適用于任何構(gòu)造形式的強(qiáng)邊柱冷成型鋼組合墻體，更符合多層冷成型鋼住宅結(jié)構(gòu)的要求。
　　6.在房屋整體抗震性能研究中，精細(xì)化墻體模型會(huì)導(dǎo)致計(jì)算困難，需對(duì)墻體進(jìn)行簡(jiǎn)化。本文首先利用Opensees軟件對(duì)冷成型鋼組合墻體的非線性簡(jiǎn)化計(jì)算方法展開(kāi)研究，結(jié)果表明，基于Pinching4本構(gòu)模型的等效拉壓桿簡(jiǎn)化計(jì)算方法能充分體現(xiàn)墻體的受剪力學(xué)特性，墻體各抗剪性能指標(biāo)與試驗(yàn)值的最大誤差在17％以內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范，提出多層

14、冷成型鋼房屋住宅結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)向變形驗(yàn)算指標(biāo)，并建立首個(gè)考慮梁柱節(jié)點(diǎn)真實(shí)連接性能的多層冷成型鋼房屋住宅結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型，對(duì)其進(jìn)行抗震計(jì)算，得到以下結(jié)論:①多層冷成型鋼房屋住宅結(jié)構(gòu)在多遇和罕遇地震作用下的層間位移角限值分別取為1/300和1/100是安全可靠的;②抗剪墻體的布置情況對(duì)整體結(jié)構(gòu)的抗震性能影響顯著，對(duì)多層冷成型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不宜采用兩個(gè)方向剛度差異過(guò)大的抗剪墻體組合，同時(shí)應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)沿墻體開(kāi)洞率較大方向的墻體抗剪強(qiáng)