钢板剪力墙结构研究与工程应用概述.doc
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1、钢板剪力墙结构研究与工程应用概述 摘要:钢板剪力墙指在钢框架结构基础上为提高结构刚度及抗震性能而在部分框架梁柱间内填钢板的结构。研究学者们普遍认为这是一种抗震性能良好的结构形式。这种结构自重轻,施工速度快,并且经受住了地震的考验。 关键词:钢板剪力墙结构 应用概述 (一)引言 我国是地震多发地区,特别是2023年5月12日发生的汶川地震,给中国带来了巨大的劫难。8.0级的强烈地震导致灾区房屋大量垮塌,很多群众被埋在废墟里,导致了极其严重的人民生命财产的损失。研究发展抗震能力优越,能有效抵御强烈地震的抗侧力结构,使工程结构更加耐震,是非常有实际意义的。 近年来,在北美和日本开始兴起的钢板剪力墙结
2、构,被研究学者普遍认为是一种抗震性能良好的结构形式。钢板剪力墙结构指在钢框架结构基础上为提高结构刚度及抗震性能而在部分框架梁柱间内填钢板的结构。在过去的几十年中,各国学者对这种结构进行了许多实验与理论方面的研究。这些研究都得到了共同的结论:这种结构弹性初始刚度高、位移延性系数大、滞回性能稳定。近年来得到了诸多研究者的关注,并在北京国贸大厦三期工程,天津市津塔工程等大型项目中得到了应用,有着独特优势并有良好发展前景。这种结构在我国研究与应用均处在起步阶段,其抗震性能尚缺少研究。为推动钢板剪力墙在多高层结构中的应用,需要对其整体抗震性能进行进一步的理论及实验研究。 加拿大钢结构设计规范CSA S1
3、6-01定义:钢板剪力墙是一种有横向加劲的墙板,用以在结构中抵抗侧力。柱子作为墙板的翼缘构件,框架梁作为墙板的横向加劲。薄钢板与其周边的梁柱在各层连接构成内填板构件。内填板周边约束梁柱分别简称为周边柱、周边梁,非内填板约束构件称为框架梁、框架柱。 其重要分类如下,并如图1.1所示:1. 无加劲钢板剪力墙;2. 加劲板钢板剪力墙;3. 开缝钢板剪力墙;4. 钢板-混凝土组合剪力墙。a) 无加劲钢板剪力墙 b) 加劲钢板剪力墙 c) 带缝钢板剪力墙 d) 组合钢板剪力墙 图1.1钢板剪力墙分类Fig. 1.1 Different types of steel plate shear wall st
4、ructure 图1.2无加劲钢板剪力墙Fig. 1.3 Unstiffend steel plate shear wall structure 在20世纪70年代和80年代,美国大部分采用钢板剪力墙的建筑都在钢板的两侧设立纵向和横向加劲肋。在日本,几乎所有采用钢板剪力墙的建筑也都在钢板两侧设立加劲肋。开缝钢板剪力墙借鉴武藤清专家提出的开缝混凝土剪力墙的概念发展而来,通过激光在钢板上以一定间距割出一系列狭缝的钢板剪力墙。研究表白,通过狭缝的开设将钢板转换为并列壁柱的形式来抵抗剪力,使钢板本来的剪切变形转换成以弯曲变形为主。开设竖缝虽然减少了钢板的初始抗侧刚度,但却可以增强钢板墙的耗能能力。 然
5、而,在施工过程中,不管是对钢板设立加劲肋还是用激光开狭缝,不仅费时并且不经济。此外近年来的实验和理论研究表白,无加劲钢板剪力墙的性能也非常优越。无加劲钢板墙,如图1.2所示,可以当作是加劲钢板墙当加劲刚度比为零时的特殊情况。无加劲钢板墙在单向受剪情况下,厚壁钢板剪力墙非线性特性重要表征为材料的屈服;薄壁钢板剪力墙非线性特性重要表征为钢板先行屈曲,而后对角线方向拉力带的形成及材料的屈服,具有几何和材料双重非线性。无加劲钢板剪力墙,在水平力的剪切作用下,弹性屈曲强度非常低。(二)钢板剪力墙结构的优点 1.抗震性能良好:实验和理论分析证明这也许是最有效和经济的一种抗侧力结构,其直接优点就是增强了结构
6、延性,它有稳定的滞回性能,高耗能能力和优良的塑性性能。2. 结构自重轻:与钢筋混凝土剪力墙相比,钢板剪力墙最突出的优点是在很大限度上减少了结构自重。如此,可以减小了地震时的不利作用,如减小结构底部的倾覆力矩,减小重力荷载代表值。 3. 施工速度快:使用钢板剪力墙可以大大加快施工进度,使绝大多数结构构件可以组装完毕。并且,钢板剪力墙的施工要比普通钢筋混凝土剪力墙和支撑结构要简朴的多。有助于装配化,构件化,效率高,满足住宅产业化的发展。 4.经受住了地震的考验:在1995年的神户大地震中,一幢采用了钢板剪力墙的35层建筑物经受了地震的考验。研究人员在震后的调查中发现,该建筑物未出现任何明显的结构破
7、坏,而紧邻的一幢未采用钢板剪力墙的八层建筑却发生了坍塌。(三)国内外研究现状 钢板剪力墙构件性能研究方面,一批美国和日本的学者曾重要致力于厚内填板和加劲板性能的研究,钢板墙被设计成在极限荷载下也不发生屈曲的体系,即以钢板的面外屈曲作为设计极限状态。运用钢板墙屈曲后强度的概念最先由加拿大学者提出1,同时给出了无加劲钢板墙的分析模型:铰接斜拉杆模型,并根据最小能量原理给出了计算拉杆倾角的计算公式。Driver和Klark1应用此模型对无加劲钢板墙强度、塑性性能和滞回性能进行了研究,揭示了其卓越的延性、良好的耗能能力。1999年Rezai2-3对两个四层单跨的无加劲钢板墙模型分别进行了拟动力实验并实
8、现了初次振动台实验。在施加往复荷载前后,进行了小振幅振动测试,以得到结构在破坏前后的动力特性(自振周期、振型和阻尼比)。对钢板墙的屈曲、屈服、焊缝开裂(撕裂)等对内嵌钢板动力特性的影响进行了研究。同时,评价了钢板墙的耗能能力、塑性变形性能、刚度退化、强度退化等对钢板墙抗震性能的影响,得到了一些有益的结论。2023年,Adam等人4进行了两个单跨单层和一个单跨四层薄壁钢板墙模型实验研究。研究结果认为,钢板墙具有非常好的承载能力和延性性能,柱子破坏是影响钢板墙极限承载力的重要因素。值得一提的是,加拿大阿尔伯塔大学的研究者们从上世纪60年代就对钢板剪力墙结构进行不懈的研究实验,对钢板剪力墙结构的理论
9、进展起到了巨大的推动作用5。加州大学伯克利分校的Astaneh-Asl专家和赵秋红博士6对钢管混凝土-钢板剪力墙结构进行了系统的理论与实验研究,研究表白,这种结构具有非常好的延性与抗侧刚度,可以抵御非常强烈的地震作用,钢管混凝土柱抗侧刚度大,可以使内填板的拉力场效应得到充足发挥。国内郭彦林、陈国栋、缪友武等7对无加劲板、十字加劲板和交叉加劲板剪力墙结构在单向静力荷载下的抗剪性能和反复荷载下的滞回性能进行了较为进一步的研究,并通过对六个钢板剪力墙模型的低周反复荷载作用实验研究,进一步揭示了钢板墙的极限承载力、延性和滞回性能,为钢板剪力墙规范以屈曲后强度为设计准则提供了理论和实验依据。西安建筑科技
10、大学董子建、侯蕾、曹春华等8-10对无加劲和斜加劲钢板剪力墙结构也做了大量实验和理论研究工作,并得出一些有益结论;武汉理工大学苏磊,清华大学赵作周、钱稼茹等11 研究了墙板开缝层数、竖缝间板带的高宽比与开缝墙力学性能的关系,并得出结构的荷载-位移曲线呈现三折线的特性;西安建筑科技大学王恒等12相应用SAP2023程序对带缝钢板剪力墙进行了弹性范围内的静力分析,研究了开缝参数对钢板剪力墙抗侧刚度和弹性屈曲临界力产生的影响、竖向荷载作用对钢板剪力墙屈曲临界力的减少及随着承受荷载的增大,应力分布的变化,推导提出了对带缝钢板剪力墙抗侧刚度和抗剪极限承载力公式进行修正的方法和修正系数。台湾地震工程研究中
11、心蔡克铨等13对LYS(低屈服强度)钢板剪力墙结构进行了系统实验和理论研究,得出用LYS低屈服钢板制成的钢板剪力墙结构抗震性能更加优越的结论。整体结构性能研究方面,KHARRAZI14综合考虑了钢板剪力墙结构的弯曲和剪切变形特性,提出了钢板剪力墙结构分析与设计的方法,并对3层、9层、27层的结构进行了实例分析。华南理工大学魏德敏等25应用非线性弹簧单元来模拟在整体结构中的带缝钢板剪力墙构件,以实际工程为背景分析了整体结构的地震反映,得出钢板剪力墙构件可以明显提高结构抗侧刚度,并且其布置方式对结构抗震性能影响很大。苏磊6提出运用刚度等效的原则,把其转换为工程计算软件可以计算的支撑体系,然后对构件
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