鋼桁架連梁耗能機理及控制性能研究.pdf

1、連梁是聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的第一道防線，起到保護剪力墻從而避免結(jié)構(gòu)倒塌的重要作用。設(shè)計中連梁常采用小跨高比的形式，其抗剪能力、延性耗能經(jīng)常不能滿足抗震要求。相比于常用的混凝土連梁，鋼結(jié)構(gòu)連梁在結(jié)構(gòu)強度、結(jié)構(gòu)延性、施工簡單等方面有明顯優(yōu)勢。在分析連梁實際抗震受力的基礎(chǔ)上，本文研究了鋼桁架連梁--聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系，它采用鋼桁架形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土連梁結(jié)構(gòu)。本文在足尺鋼桁架連梁構(gòu)件和剪力墻構(gòu)件兩個層面進行了抗震試驗研究和理論分析。主要

2、研究成果如下：
　　 1、對4個足尺鋼桁架連梁進行了抗震低周反復(fù)荷載試驗研究，研究了它們的承載能力、破壞過程、滯回性能、延性性能、耗能機理和剛度強度退化規(guī)律，揭示了鋼桁架連梁的工作機理。試驗研究證明足尺鋼桁架連梁發(fā)揮了鋼材延性好的優(yōu)點，其延性、耗能大于普通混凝土連梁和改進配筋混凝土連梁，體現(xiàn)出良好的抗震性能。加大腹桿截面面積能夠提高構(gòu)件的整體剛度、屈服荷載和承載力；加大弦桿截面面積能較大幅度的提高鋼桁架連梁的整體剛度，提高屈服荷

3、載和承載能力，以及提高構(gòu)件的耗能能力。
　　 2、在低周反復(fù)荷載試驗研究的基礎(chǔ)上對足尺鋼桁架連梁進行了仿真模擬和參數(shù)分析，有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好：兩者得到的滯回曲線豐滿、呈對稱梭形形態(tài)，可以較好地反映鋼桁架連梁抗震耗能性能好的特點；試驗和有限元計算的能量耗散曲線非常接近，在位控達3倍屈服位移之后等效粘滯阻尼系數(shù)he=0.247～0.364，遠高于普通混凝土連梁；有限元計算結(jié)果能夠較好地反映結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)、延性性能、剛度

4、退化規(guī)律和耗能機理。參數(shù)分析可知：加大腹桿型號可以明顯提高連梁的承載力，但腹桿截面過大會導(dǎo)致弦桿腹板容易過快地發(fā)生彎曲破壞；加大弦桿型號能提高連梁承載力及整體剛度，但弦桿截面過大則會導(dǎo)致交叉腹桿不能很好的消耗地震能量；跨高比對承載力的影響不大，但跨高比變大，腹桿變短，變形受限，延性不好，超過極限荷載后，會出現(xiàn)承載力及延性下降的趨勢。
　　 3、在鋼桁架連梁低周反復(fù)荷載試驗的基礎(chǔ)上，擬合了鋼桁架連梁的骨架曲線模型、恢復(fù)力模型，可用

5、于鋼桁架連梁的彈塑性設(shè)計。
　　 4、對只配置鋼桁架連梁的雙層聯(lián)肢剪力墻(簡稱“SW”)及混凝土連梁、鋼桁架連梁混合配置的雙層聯(lián)肢剪力墻體系(簡稱“RSW”)進行了抗震擬動力和低周反復(fù)荷載的試驗分析。研究了剪力墻的變形性能、地震波輸入后的位移、加速度、底部剪力響應(yīng)、荷載.位移滯回曲線，以及兩種剪力墻體系的承載能力、延性性能、耗能機理、剛度和強度退化規(guī)律。揭示了兩種配置鋼桁架連梁的剪力墻結(jié)構(gòu)的工作機理。試驗表明：(1)兩種剪力墻體

6、系的側(cè)移值均較小，擬動力試驗結(jié)束結(jié)構(gòu)整體沒有出現(xiàn)較大破壞。(2)配置雙層鋼桁架連梁的剪力墻SW剛度分配合理，其耗能機理為：正常使用及小震階段，鋼桁架連梁不發(fā)生屈服；罕遇地震作用下SW的鋼桁架連梁交叉腹桿在連梁內(nèi)部先產(chǎn)生塑性鉸，不斷耗散能量；隨位控荷載加大，腹桿退出工作，上下鋼弦桿持續(xù)耗能，持續(xù)保護和約束剪力墻結(jié)構(gòu)，避免其變?yōu)閱沃袅Γ撨B梁體系能夠利用鋼材良好的延性性能，耗散大量的地震能量；后期鋼桁架連梁持續(xù)耗能，剪力墻出現(xiàn)底部塑性鉸

7、后持續(xù)耗能，連梁塑性鉸早于剪力墻塑性鉸。SW連梁的布置體現(xiàn)出較好的被動減震功能，連梁呈現(xiàn)延性破壞，聯(lián)肢剪力墻也呈現(xiàn)延性彎曲破壞。(3)RSW耗能機理：正常使用及小震階段，混凝土連梁和鋼桁架連梁不發(fā)生屈服；加載中后期，由上部剪力墻鋼筋、底部剪力墻形成的塑性鉸耗能，下層鋼桁架連梁屈服，但變形受到墻肢和頂層連梁混凝土整體的限制，只能部分發(fā)揮耗能作用，頂部鋼筋混凝土連梁不屈服。所有試驗結(jié)束后RSW的兩層連梁未出現(xiàn)較大變形，混凝土連梁的存在加大了

8、結(jié)構(gòu)的剛度，上下兩層剛度分布不均；RSW小震時加速度反應(yīng)峰值很大，擬動力加載前期墻肢開裂，RSW的連梁設(shè)置不合理，耗能較小，剪力墻的破壞為墻肢本身的延性彎曲破壞，不能實現(xiàn)“強墻肢弱連梁”的抗震要求。
　　 5、對剪力墻平面結(jié)構(gòu)進行了彈塑性地震響應(yīng)時程仿真分析和低周反復(fù)荷載仿真分析。對比分析了中震及大震荷載作用下結(jié)構(gòu)的試驗時程和有限元計算時程，彈塑性時程計算分析整體上較接近試驗的結(jié)果：結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)峰值接近，兩個剪力墻的位移角均遠小

9、于剪力墻結(jié)構(gòu)9度抗震設(shè)防彈塑性位移角限值的要求；試驗計算和有限元計算的滯回曲線較接近，能夠反映結(jié)構(gòu)的耗能過程，骨架曲線有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果較接近，有限元計算的耗能比試驗結(jié)果略大，主要是因為是結(jié)構(gòu)是在完成了擬動力試驗之后才進行低周反復(fù)荷載試驗，結(jié)構(gòu)內(nèi)部有不同程度的損傷。對SW試件，達到極限荷載之后，承載力下降較平緩，延性性能較好，連梁后期仍能夠起到約束剪力墻墻肢的作用，正向反向承載力接近，內(nèi)部損傷較小。對RSW試件，達極限荷載后，承載

10、力也平緩下降，延性性能比不上SW，墻肢的損傷的不均勻?qū)е鲁休d力正反不對稱。
　　 6、結(jié)合本文的試驗和理論研究結(jié)果，分析了鋼桁架連梁的設(shè)計方法，給出了鋼桁架連梁承載力計算的建議公式，并且對鋼桁架連梁與剪力墻墻肢的連接的構(gòu)造提出了建議。
　　 本文研究的鋼桁架連梁——聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系，承載能力強，安全儲備高，耗能和剛度退化機制合理，大震作用下鋼桁架連梁也能約束剪力墻墻肢，體現(xiàn)出被動減震控制的性能，實現(xiàn)了延性連梁和延性剪力