基于ABAQUS的钢管混凝土钢板剪力墙静力性能分析研究
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
学位论文使用授权声明
本人授权汕头大学保存本学位论文的电子和纸质文档,允许论文被 查阅和借阅;学校可将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索,可以采用影印、缩印或其它复制手段保存和汇编论文;学校可 以向国家有关部门或机构送交论文并授权其保存、借阅或上网公布本学 位论文的全部或部分内容。对于保密的论文,按照保密的有关规定和程 序处理。 本论文属于:保密( ) ,在 年解密后适用本授权声明。
2
第1章 绪论
加劲钢板墙的设计原理是利用不同形式的加劲肋延缓钢板的屈曲,提高钢板的 极限承载力及延性性能。对薄钢板墙,可以通过设置加劲肋以改善其受力性能及延 性。加劲肋有多种形式,如十字或井字形布置的加劲肋、对角交叉加劲肋和门、窗 洞边加劲肋等。设置加劲肋的最大优点是提高薄板的弹性刚度,并使其在弹塑性范 围内具有稳定饱满的滞回曲线,克服薄钢板滞回曲线的“捏拢”现象。 3 开缝钢板剪力墙 开缝钢板墙以缝间板条的弯曲链杆为主要的耗能构件,在不需要强大加劲体系 的前提下,使弯曲弹塑性变形主要集中在弯曲链杆的端部,从而实现延性耗能。国 内关于开缝钢板墙的试验研究表明[14]:开缝钢板墙的承载力和侧移刚度能满足正常 使用阶段要求,当内嵌钢板的整体面外屈曲、缝间板条和边缘加劲肋的弯扭屈曲不 先于弯曲链杆的端部弯曲屈服时,开缝薄钢板墙有很好的延性和耗能能力。 4 组合钢板墙 组合钢板墙是在钢板一侧或两侧覆盖钢筋混凝土预制墙板,二种材料用抗剪螺 栓固定。 组合钢板墙根据混凝土墙板与周边梁、柱结合方式又分为“传统”的和“改 进”的组合钢板墙。所谓“传统”组合墙,是指混凝土墙板与周边的钢结构梁、柱 紧密相接, 不留缝隙, 二者自始至终共同工作。 不足在于, 混凝土墙板因刚度较大, 可能在水平位移较小时就首先发生破坏而提前退出工作。 “改进” 型组合墙与 “传统” 组合墙的最大区别在于:混凝土墙板与周边梁、柱间预留适当的缝隙(根据结构在 大震下的侧移大小确定) 。这样,在较小的水平位移下,混凝土墙板并不直接承担水 平力,而仅仅作为钢板的侧向约束,防止钢板发生面外屈曲,此时它对整体平面内 刚度和承载力的贡献可忽略不计。随着水平位移的不断增加,混凝土墙板先在角部 与边框梁、柱接触,随后,接触面不断增大,混凝土墙板开始与钢板协同工作。并 且,此时混凝土墙板的加入,还可以补偿因钢板发生局部屈曲造成的刚度损失,从 而减小了 p 效应。 试验结果显示 “改进” 型组合墙表现出更好的塑性变形能力[2]。 5 低屈服点钢板墙 厚板墙先屈服后屈曲;薄板墙则先屈曲后屈服。为了提高钢板墙的耗能能力及 延性,钢板墙采用低屈服点材料( f y 100 165MPa ) 。此时,为了满足结构刚度 要求,低屈服点钢板墙可采用较强的加劲肋予以加强;也可以通过改变板厚来满足
关键词:钢管混凝土,钢板剪力墙,初始缺陷,有限元,ABAQUS。IBiblioteka 目录ABSTRACT
Steel plate shear walls (SPSW) as one of the most economical and effective lateral load resisting systems began to emerge since 1970s. A large number of experimental and theoretical studies have been done to prove that steel plate shear wall has many advantages, such as high initial elastic stiffness, large displacement ductility capacities, stable hysteretic behavior, light weight, low requirement of the base and joint. Steel plate shear wall has become a very promising lateral load resisting system, is very ideal for seismic zone to use. In recent decades, with the maturation of the studies on concrete-filled steel tube, this kind of structure is used in civil engineering more and more widely. The CFST has many properties, such as high axial load capacity, perfect seismic performance, the production of convenience, the fire resistance performance etc, Thereby CFST structures have been used for high-rise and ultra-high-rise buildings more and more frequently. In this paper, we make a combination of CFST and SPSW, and hope to use both the advantages to be a new lateral load resisting system. using general-purpose finite element software abaqus, to establish numerical model of such a new kind steel plate shear wall, and calculate the static shear force resistance properties; by changing slenderness ratio of the panel, and varying the shell thickness of the steel tube and other factors, meantime, the initial imperfection of the panel is taking into account to analyze the lateral load resisting performance. Finally, comparison of steel plate shear walls with steel frame and CFST frame has been made; the similarities and differences between these two kind steel plate shear walls are figure out. A large number of calculations proved that steel plate shear wall with this two different frame is similar, and SPSW with CFST frame has higher initial stiffness and post-buckling capacity, suitable for thin panel wall.
不保密(√) 。 (请在以上括号内打“√” ) 作者签名: 日期: 年 月 日 导师签名: 日期: 年 月 日
第1章 绪论
第 1 章 绪论
1.1 背景简介
钢结构具有强度高、重量轻、施工速度快、抗震性能优异的特点,特别适用于 地震区的高层建筑。1985 年墨西哥地震和 1995 年日本阪神地震均表明钢结构房屋 的破坏率和破坏程度远低于同类钢筋混凝土结构。在梁截面高度相同的条件下,钢 结构的柱网尺寸可以比钢筋混凝土结构大,建筑布置灵活。钢结构高楼的自重轻, 下部结构及基础尺寸较小,地震反应较小,更方便应用耗能减震装置,提高结构的 可靠度。 我国《高层民用建筑防火设计规范》将 10 层以上的住宅建筑以及 24 m 以上的 公共建筑和综合性建筑规定为高层建筑; 《民用建筑设计通则》将高度超过 100 m 的建筑称为超高层建筑[1]。在高层建筑特别是超高层建筑中,已建的多高层钢结构 建筑主要有以下几种结构形式: 纯框架、 框架-支撑、 钢框架-混凝土剪力墙(核心筒)、 筒体、巨型框架等。其中用得最多、比例最大的是钢框架-混凝土剪力墙结构。 钢框架-混凝土剪力墙结构具有节约钢材、降低造价、施工方便等优点,被认为 是一种符合我国国情的结构体系而大量采用。然而这种结构却存在很大的缺陷。混 凝土内筒刚度退化将加大钢框架的剪力。混凝土内筒刚度远大于周边钢框架,并且 混凝土内筒延性远小于钢框架,刚度极不匹配。在水平地震作用下,内筒承担了将 近 90%的水平力。作为第一道抗震防线的钢筋混凝土核心筒遭到累积式的破坏后, 结构的侧向刚度急剧下降,钢框架作为第二道抗震防线非常薄弱,结构的安全储备 很低,抗震能力不足。 钢板剪力墙结构正是针对混凝土剪力墙结构抗震性能不足提出的。钢板剪力墙 以高侧向刚度、良好的延性、优异的耗能能力和很高的安全储备等优点为多高层钢 结构建筑提供了一种新型、有效的选择,并将在以后的工程实践中得到越来越多的 应用。
Keywords:
CFST, SPSW, Initial Imperfection, Finite Element, ABAQUS,
II
学位论文原创性声明
本论文是我个人在导师指导下进行的工作研究及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或其它机构已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均 已在论文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人 承担。 作者签名: 日期: 年 月 日
1
汕头大学硕士学位论文
1.2 钢板剪力墙结构简介
钢板剪力墙结构的发展始于上个世纪 70 年代。 钢板墙单元由内嵌钢板和竖向边 缘构件(柱或竖向加劲肋) 、水平边缘构件(梁或水平加劲肋)构成。当钢板沿结构 某跨自上而下连续布置时,即形成钢板剪力墙体系。钢板剪力墙整体的受力特性类 似于底端固接的竖向悬臂组合梁: 竖向边缘构件相当于翼缘, 内嵌钢板相当于腹板, 而水平边缘构件则可近似等效为横向加劲肋。 关于钢板墙作为主要水平抗侧力体系的试验研究和数值分析揭示了其独特的表 现, 包括较大的弹性初始刚度、 大变形能力和良好的塑性性能、 稳定的滞回特性等。 钢板墙已成为一种非常具有发展前景的高层抗侧力体系,尤其适用于高烈度地震区 建筑[2]。
1.2.1 钢板剪力墙结构分类
按照不同的分类标准,钢板剪力墙可分为以下几类[2]。 1 厚板墙与薄板墙 按内嵌钢板宽厚比 min(b, h) t 的大小,钢板墙可分为厚钢板墙和薄钢板墙。 厚板墙( 250 )的剪切弹性屈曲荷载较高,有较大的初始面内刚度,通过面内钢板 抗剪承担水平力,边框和内嵌钢板共同承担整体倾覆力矩,大震下具有良好的延性 及稳定的承载力,先屈服后屈曲,滞回环饱满。内嵌钢板在正常使用状态或风载作 用下一般不发生局部屈曲,即使发生屈服后屈曲也不会形成较大的拉力带,对周边 框架梁柱的依赖程度小。厚板剪力墙采用低屈服点钢材较适宜,抗侧力设计值较大 时除外。厚板墙的最大不足是耗钢量大及成本高,其发展受到一定的限制。 薄板墙( 250 )在相对较小的水平荷载作用下即发生屈曲,并随着侧向力的逐 渐增大在钢板墙对角线方向形成拉力带;拉力带锚固在钢板墙周边梁柱上,对框架 柱形成附加弯矩。因此在设计薄钢板墙时对其周边构件要适当加强。薄钢板剪力墙 滞回曲线有不同程度的捏拢现象,不如厚钢板墙滞回曲线饱满。 2 加劲与非加劲钢板剪力墙
汕头大学 硕士学位论文 基于ABAQUS的钢管混凝土钢板剪力墙静力性能分析研究 姓名:侯峰 申请学位级别:硕士 专业:结构工程 指导教师:王湛 20090501
摘要
摘要
钢板剪力墙结构是二十世纪七十年代开始出现的一种抗侧力体系。大量的实验 与理论研究证明,钢板剪力墙具有弹性初始刚度高、延性系数大、滞回曲线饱满、 重量轻、对基础和框架节点的要求低等众多优点。钢板墙已成为一种非常具有发展 前景的高层抗侧力体系,非常适合高烈度地震区建筑采用。 近几十年来,随着钢管混凝土研究的日渐成熟,钢管混凝土结构在土木工程中 的应用越来越广泛。钢管混凝土承载力高、抗震性能好、制作方便、耐火性能好, 在高层和超高层建筑中,钢管混凝土结构已屡见不鲜。 本文将钢管混凝土和钢板剪力墙结合,组成钢管混凝土框架钢板剪力墙结构。 使用大型通用有限元分析软件 ABAQUS,建立这种钢板剪力墙的数值模型,并计算 分析其抗剪静力性能;通过变化钢板的高厚比、钢管壁厚等因素,并考虑了钢板的 初始缺陷,分析其抗剪承载力的性能。最后比较了钢管混凝土钢板剪力墙和钢框架 钢板剪力墙结构的静力性能的异同。通过大量计算,得出钢管混凝土钢板剪力墙结 构和其它钢板剪力墙结构相似,具有较高的初始刚度和后期承载力,适合于用作薄 板墙;和竖向承载力相同的钢框架钢板剪力墙相比,钢管混凝土钢板剪力墙具有更 高的初始刚度和抗剪承载力。