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单片开洞钢板剪力墙的结构设计理论与方法研究

作　者: 兰涛
导　师: 郝际平; 郭彦林
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 结构工程
关键词: 开洞钢板墙及分类边缘构件的刚度范围补强钢板最小安全板厚施工过程分析 USMO计算模型滞回分析开洞钢板墙的延性破坏时程分析
分类号: TU391
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

通过实际大震的检验证明，钢板剪力墙结构为现今存在的最优抗震耗能结构体系。由于要满足建筑的使用功能，难免要求在钢板墙上开设多种样式的洞口，本文以单片开洞薄板墙为研究对象，系统研究了多种开洞薄板墙的受力特性，主要包括以下内容：1、对现存的开洞钢板墙按部位的不同划分为SW-Ce、SW-Be、SW-Bo、SW-Co四类形式，从开洞钢板墙中有、无边缘构件的存在入手进行分析，通过两者的抗剪极限承载力及结构延性确认边缘构件存在的必要性。采用经典力学的分析方法对SW-Ce型钢板墙的边缘构件受力进行求解，得到经典解析解后推广应用至其他开洞钢板墙的边缘构件，以此为依据提供了边缘构件强度计算的方法。2、采用有限元软件对上述四种开洞钢板墙建立精致模型，以准确模拟不同开洞形式下钢板墙的受力性能，通过静力分析提出影响开洞钢板墙受力的主要因素，除普通钢板墙的影响因素外，主要由洞口水平偏心率（η₁）与墙板水平截面开洞率（η2）两个因素所决定，通过大量算例证明上述两因素均与开洞钢板墙的极限承载力与延性呈一定的线性关系。3、从施工角度分析焊接作用对开洞钢板墙受力性能的影响，分析了不同的施焊顺序造成结构自身应力与变形的不同，得到开洞钢板墙的最佳焊接顺序，并提出减小焊接不利影响的施焊工艺；通过具体算例可知，考虑焊接作用对结构的抗剪极限承载力降低约5%，且结构的延性有所降低，证明焊接作用对开洞钢板墙的受力性能是不可忽略的因素；考虑施工过程中由于钢板墙几乎同步或稍微滞后于结构主体施工，结构主体的轴向压缩导致钢板墙产生轴向预压作用，通过对开洞钢板墙最大层压缩比的分析可知，由施工顺序造成钢板墙承受的轴向预压作用等同于初始缺陷产生的影响。4、对四种开洞钢板墙的受力结果与相同状况下的无洞口钢板墙进行比较可知，由于边缘构件的存在导致开洞钢板墙的抗剪极限承载力高于普通无洞钢板墙，且随边缘构件数量的增加其承载力也逐步提高，但承载力的提高是以结构的延性降低为代价；无洞口钢板墙的延性远优于相同状况下的开洞钢板墙，且其塑性强化阶段没有出现类似开洞钢板墙应力-应变曲线存在的明显下降段。5、为了不降低开洞钢板墙的水平抗剪能力，提出洞口侧面补强钢板的计算方法，并通过大量算例验证采用补强后的开洞钢板墙，其抗剪承载力没有降低，为开洞钢板墙计算模型（USMO模型）的提出做了铺垫。6、边缘构件在开洞钢板墙中处于重要的地位，直接影响到开洞钢板墙的极限承载力与延性指标，如边缘构件刚度选取过大则会招致过大的地震力而导致结构延性性能下降，如刚度过小则不能提供足够的锚固力以实现内填板拉力带的形成，故通过对开洞钢板墙中的计算各种参数进行变化，提炼出边缘构件刚度对结构初始刚度的影响，以观察边缘构件参与抗侧的份额来判断其经济、合理的刚度范围，最终确定I_c/I_co处于6⁸范围内时，为最优的边缘构件的刚度比值。7、对现有钢板墙最佳计算模型USM进行研究分析，考虑开洞钢板墙中边缘构件的存在对其抗剪极限承载力及延性的影响，并对USM模型进行修正，提出适用于开洞钢板墙的USMO计算模型，其形式同USM模型，均由剪切作用部分与拉力场部分所组成，不同的是在拉力场部分增设一压力杆，以模拟洞口处边缘构件的存在导致结构承载力提高而延性下降的问题，剪切作用部分由于前述最小安全板厚的补强作用而无变化。8、通过对单片开洞钢板墙的的非线性单级与多级滞回分析，发现由于边缘构件的存在而使开洞薄板墙没有出现明显的捏缩现象，变换多种参数以确定各种因素对开洞钢板墙受力性能的影响；通过考察开洞钢板墙的能量耗算系数、承载力退化系数等检验其在往复荷载作用下的耗能能力及承载力的稳定性，最终提出开洞钢板墙的骨架曲线。9、观察开洞钢板墙滞回分析全过程，明确提出开洞钢板墙在受力破坏时存在的两种不同的形态，并对此两种破坏形态进行分析，提出为满足多道抗震设防的概念设计要求，应采用第I类破坏形态的延性设计，而应避免第II类破坏形态所带来的滞后型延性设计。10、总结开洞钢板墙的基本设计流程，对一12层的单榀开洞钢板墙框架进行初步设计（SW-Ce型），在满足各项设计指标的情况下，采用三条实际地震波对其进行多遇地震与罕遇地震分析，以验证开洞钢板墙的可靠性，并提取整体模型的顶层及底层侧向位移，以说明开洞钢板墙在罕遇地震作用下是安全可靠的。论文的研究成果可为钢板剪力墙结构的理论研究与抗震设计提供有价值的数据和参考依据。

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-14
1 绪论  14-31
  1.1 研究的背景与意义  14-21
    1.1.1 现有高层钢结构抗侧力体系的分类  14-16
    1.1.2 各类钢结构抗侧力体系的应用及强震作用下的表现  16-21
  1.2 国内外钢板墙的研究现状  21-28
    1.2.1 国外钢板墙的研究现状  21-24
    1.2.2 国内钢板墙的研究现状  24-27
    1.2.3 国内外钢板墙研究与应用的不足  27-28
  1.3 开洞钢板剪力墙  28-31
    1.3.1 开洞钢板墙的提出  28
    1.3.2 开洞钢板墙的结构形式  28-29
    1.3.3 本文的研究思路  29-30
    1.3.4 本文采用的研究手段  30-31
2 单片开洞钢板墙的弹性受力分析  31-64
  2.1 概述  31
  2.2 开洞钢板墙的分类  31-33
  2.3 单片开洞钢板墙边缘构件的弹性受力解析解  33-44
    2.3.1 开洞钢板墙内填钢板的名义剪应力及最小安全板厚  33
    2.3.2 开洞钢板墙边缘构件的弹性受力解析解  33-40
    2.3.3 洞口拓展的受力理论分析  40-44
  2.4 实体有限元模型的数值计算  44-63
    2.4.1 有限元概述  44-49
    2.4.2 有限元模型的建立  49-54
    2.4.3 多种开洞钢板墙的抗剪极限承载力分析与比较  54-61
    2.4.4 多种开洞钢板墙的模态分析  61-63
  2.5 小结  63-64
3 影响单片开洞钢板墙受力性能的关键参数分析  64-89
  3.1 概述  64
  3.2 焊接作用对钢板墙的受力影响  64-72
    3.2.1 焊接连接的必要性  64-65
    3.2.2 焊接作用对钢板墙受力的影响  65-69
    3.2.3 焊接作用对开洞钢板墙受力影响的实例分析  69-72
  3.3 施工过程边柱轴压作用对开洞钢板墙的受力影响  72-75
    3.3.1 考虑施工过程对开洞钢板墙影响的提出  72-73
    3.3.2 虑施工状态下钢板墙外边柱轴压作用的分析  73-75
  3.4 影响开洞剪力墙抗剪承载力的其他参数拓展分析  75-88
    3.4.1 洞口水平偏心率（η1 ）  75-80
    3.4.2 墙板水平截面开洞率（η 2）  80-86
    3.4.3 最小安全板厚计算公式的应用与推广  86-87
    3.4.4 最小安全板厚计算公式  87-88
  3.5 小结  88-89
4 单片开洞钢板墙的边缘构件的受力分析  89-102
  4.1 概述  89
  4.2 开洞钢板墙边缘构件的刚度阈值  89-97
    4.2.1 开洞钢板墙中有、无边缘构件的受力分析与对比  89-92
    4.2.2 边缘构件的合理刚度范围  92-97
  4.3 边缘构件的相互支撑效应  97
  4.4 开洞钢板墙的计算模型  97-99
    4.4.1 统一等代计算模型 USM 的介绍  98-99
    4.4.2 开洞钢板墙的统一等代计算模型 USMO  99
  4.5 单片开洞钢板的墙弹性设计流程  99-100
  4.6 小结  100-102
5 单片开洞钢板墙滞回性能的分析与研究  102-130
  5.1 概述  102
  5.2 分析参数对滞回性能的影响  102-116
    5.2.1 计算模型及加载机制  102-103
    5.2.2 分析参数的确定  103-113
    5.2.3 各种开洞钢板墙的能量耗能系数  113-116
  5.3 开洞钢板墙的骨架曲线及结构刚度的调整  116-118
    5.3.1 骨架曲线  116-118
    5.3.2 开洞钢板墙对结构的刚度调整  118
  5.4 承载力退化系数  118-120
  5.5 开洞钢板墙破坏模式的机理分析  120-128
    5.5.1 有限元模型的破坏过程  120-127
    5.5.2 破坏形态的分类  127-128
  5.6 小结  128-130
6 开洞钢板墙的计算实例及动力特性分析  130-142
  6.1 概述  130
  6.2 计算实例  130-136
    6.2.1 设计基本参数  130-131
    6.2.2 初步设计  131-133
    6.2.3 静力分析及结果比较  133-134
    6.2.4 推覆分析  134-136
  6.3 动力时程分析  136-141
    6.3.1 准备工作  136
    6.3.2 振型及周期分析  136-138
    6.3.3 时程分析  138-141
  6.4 小结  141-142
7 结语与展望  142-145
  7.1 论文工作的总结  142-143
  7.2 今后相关工作的建议  143-145
致谢  145-146
参考文献  146-154
攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目  154-155
  一、在读期间发表的学术论文  154-155
  二、在读期间参加的科研工作和获奖情况  155
  三、在读期间获得专利  155

单片开洞钢板剪力墙的结构设计理论与方法研究

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