钢管混凝土边框内藏钢板组合剪力墙抗震研究.pdf
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1、第 2 8卷第 3期 2 0 1 1年 9月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v i l En g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t Vo 1 28 No 3 S e p 2 01i 钢管混凝土边框 内藏钢板组合剪力墙抗震研究 曹万林 , 张文江 , 张建伟 , 董宏英 , 王立长 ( 1 北京工业大学建筑工程学院, 北京1 0 0 1 2 4 ; 2 河北大学建筑工程学院, 河北保定0 7 1 0 0 2 ; 3 大连 建筑设计 研究院有限公司 , 辽 宁大连1 1 6 0 2 1 ) 摘要 : 提 出了钢管混凝
2、土边框 内藏钢板 组合剪力墙。完成了 l 2个不 同构造 的钢板组合剪 力墙 模型 的低 周反 复荷载试验, 其中包括 5个钢管混凝土边框纯钢板剪力墙 、 7个钢管混凝土边框内藏钢板剪力墙。分析了各试 件的承载力、 耗能 、 延性、 滞回特征等。给出了部分组合剪力墙的承载力计算模型, 计算结果与试验结果符合较 好。研究表明, 钢管混凝土边框内藏钢板组合剪力墙具有承载力高 、 延性好 、 耗能能力强、 滞回性能稳定等特 点。这种新型组合剪力墙已用于工程, 效果良好。 关键词: 钢管混凝土; 钢骨混凝土; 钢板; 组合剪力墙; 抗震性能 中图分类号 : T U 3 7 5 4 文献标识码 : A
3、文章编号 : 2 0 9 5 -0 9 8 5 ( 2 0 1 1 ) 0 3 -02 1 9 -0 7 钢管混凝土构件具有承载力高 、 延性好 、 节省 材料的优点 。钢管混凝土的应用始 于 1 9世纪 8 O 年代 , 在英国用于建造铁路桥的桥墩 , 在管内浇灌 混凝土是为了防止管内锈蚀。在 2 0世纪四、 五十 年代出现钢管混凝土结构。钢管混凝土技术引入 我国是在 2 0世纪 6 0年代 , 虽然起步 比西方国家 晚 , 但是发展 比较快 , 特别是在 8 O年代以后 , 钢管 混凝土技术的研究和应用都得到长足发展 , 并在 桥梁结构和建筑结构 中得到广泛应用 。钢板 剪力墙结构是 2
4、0世纪 7 0年代发展起来的一种新 型抗侧力结构体系。钢板组合剪力墙是在钢板一 侧或两侧采取浇筑 或安装 的方式覆 盖混凝土墙 板 。钢板组合剪力墙 的 出现为解决薄 钢板屈 曲问题提供 了一个有效的途径 。很多学者对钢板 组合剪力墙进行 了多方面的研究_ 4 J 。本文课题 组对新型组合剪力墙 的抗震性能进行 了研究 , 并 结合重点工程应用推进 了研究进展_ 】 。本文 介绍课题组有关钢板组合剪力墙抗震研究的部分 内容。 1 钢管混凝土边框钢板组合剪力墙 1 1 试件设计 参考规范 1 3 设计 了 5个钢管混凝土边框 纯钢板组合剪力墙和 7个钢管混凝土边框 内藏钢 板组合剪力墙 , 共
5、1 2个模型。5个钢管混凝土边 框纯钢板组合剪力墙试 件编号分别 为 S WA 一 1 S WA 5 ; 7个钢管混凝 土边框 内藏钢 板组合剪力 墙试件 的编 号分别 为 S WB 一 1S WB 一 7 。模 型按 1 5 缩尺。试件 S WB 一 6剪跨比为 1 0, S WB 一 7剪跨 比为 2 0 , 其余试件的剪跨 比均为 1 5 。钢板墙两 侧边框柱采用 口1 4 0 mi l l 1 4 0 1T I m 3 5 1 1 1 1 1 3_ 方钢 管 , 内嵌墙体净宽 4 6 0 mm, 墙体厚度 1 4 0 m m。除 了试件 S WA - 4和 S WB - 4的钢板与边框
6、柱采用螺 栓连接以外 , 其余试件的钢板与边框柱均为焊接 。 为研究钢板厚度变化 对剪 力墙性能的影响, 试件 S WA 一 1和 S WB 一 1钢 板 厚 度 为 2 m m; S WA 3和 S WB 3钢板厚度为 6 m m; 其余试件的钢板厚度为 4 F i l m。为研究螺栓连接与焊接对剪力墙工作性 能的影响 , 试件 S WA- 4和 S WB - 4的钢板与边框 柱采用间距 4 0 m m的 M1 2螺栓连接; S WA一 5钢板 采用开孔钢板 , 孔径为 1 0 l n i l l , 钢板上半部分孔距 为 1 2 0 Fi l m, 下半部分孔 距为 8 0 ml l l
7、, 以研究钢板 开孔对剪力墙耗能能力的影响 , 并为采用拉接钢 筋穿过开孔钢板连接两侧混凝土墙板构造做法的 可行性提供依据。7个内藏钢板剪力墙 S WB 一 1 S WB 一 7中, 除 S WB 一 5的钢板与混凝土墙体采用栓 钉连接 , 其余试件 的钢板与混凝土墙体 的连接均 为拉接钢筋连接。模 型钢管 内及墙体的混凝土立 方抗压强度实i 9 1 4 值分别为 : S WA 一 1S WA 一 5 、 S WB 一 1S WB 3为 4 5 1 k N mm ; S WB - 4S WB 一 6为 4 6 7 k N m m ; S WB 一 7为 4 8 1 k N m m 。试件所 收
8、稿 日期 : 2 0 1 1 4 3 7 - 2 2 作者简介 :曹万林 ( 1 9 5 4 - ) , 男 , 河北乐亭人 , 教授 , 博士 , 研 究方向为结构工程抗震 ( E m a i l : w l c a o b j u t e d u e n ) 基金项 目:国家 自然科学基金 ( 5 0 9 7 8 0 0 5 ) ; 北京市科技 计划重 大项 目( D o 9 0 5 O 6 0 3 7 O 0 0 0 ) ; 北京 市高层次人才项 目( P H R 2 0 1 0 0 5 0 2 ) 北京市教委科技计划重点项 目( K Z 2 0 0 9 1 0 0 0 5 0 0 8
9、) 2 2 0 土木工程与管理学报 2 0 1 1 年 用钢材的材料性能实测值见表 1 。模型的设计 图 见图 1 。 表 1 钢材力学性能 函 禽摩 商鏖 j 面缸旦坐 L 7 4 o 3 期板一 摩 摩 麟 950 艮1 740 !, , H 。 茎 4 o ! 商 翌 ! 面 L 葡 丽 三 ( I) sWB ( hS WB一 7 图 1 试验模型配筋和配钢图 1 2 加载方式与测点布置 试验采用 水平低周反复加 载, 用荷载 位移 混合控制。竖向荷载采用一个竖 向千斤顶施加 , 通过 分配梁 和加 载梁传 递给试件 。试 验过 程 中 竖向荷载稳定在 8 7 0 k N。 加载 装 置
10、 如 图 2所 示。 主要测试 内容 : 试验模型 顶部 水平荷 载及侧 向位 移 ; 边框柱钢管根部外侧 翼缘的应变 ; 钢板两下角 主应变 ; 基础梁的水平滑 图2 加载装置 移。全部试验数据 由 I M P动态数据采集系统采 集。 1 3承载力、 位移和延性 实测所得各试件荷载值见表 2 。其中: F 为 试件开裂荷载 , 它代表加载首次开裂时的荷载 ; F 为试件明显屈服荷载 ; F 为试件极 限荷载 ; x = F 称为屈强 比。 表 2 试件开裂荷载、 屈服荷载、 极限荷载实测值 分析表 2可知 : ( 1 ) 相同钢管混凝土边框 的钢板剪力墙试件 S WA 一 1 5的极限荷载值
11、随着钢板厚度的增加而 提高, 但提高的比例不与钢板厚度增加成正比, 而 与边框和钢板厚度两个 因素有关 ; 薄钢板剪力墙 的屈强比较小 , 有约束的屈服变形段较长 , 有利于 抗震 。 ( 2 ) 相 同钢管混 凝土边 框和 钢板厚 度均 为 4 mm的试件 S WA 2 、 S WA - 4 , 钢板和边框采用焊 接的试件 S WA 一 2与钢板和边框采用螺栓连接的 试件 S WA - 4极限荷载值接近。 ( 3 ) 相 同钢管混凝土边框和钢板厚度均为 4 m m的试件 S WA 一 2 、 S WA 一 5 , 钢板上适当开孔的试 件 S WA - 5与无孔钢板试件 S WA -2的极限荷
12、载值 基本相同。 ( 4 ) 相 同钢管混凝土边框和钢板厚度 的试件 S WA 1和 S WB 1 、 S WA - 2 和 S WB 2 、 S WA 3 和 第 3期 曹万林等: 钢管混凝土边框内藏钢板组合剪力墙抗震研究 2 2 1 S WB 3 、 S WA - 4和 S WB - 4 , 钢管混凝土边框内藏钢 板厚度相 同的剪力墙试件 S WB 1 3的极限荷载 值明显高于相应的钢管混凝土边框纯钢板剪力墙 试件 S WA 1 3 , 分别提高 了 1 4 8 4 9 、 9 7 8 8 、 6 9 9 2 , 薄钢板剪力墙提高幅度较大。S WB - 4和 S WA - 4相比极限荷载值
13、提高了 1 0 5 7 7 , 比相 同 钢板厚度试件 S WB 一 2和 S WA 一 2的极 限荷载值提 高 比例 9 7 8 8 略有增大。 ( 5 ) 相同钢管混凝土边框和钢板厚度 的试件 S WB 2与 S WB 一 5比较 , 内藏钢板与混凝土墙体之 问采用拉接钢筋连接的试件 S WB 一 2与 焊接栓 钉 连接的试件 S WB 5极限荷载值基本相等。 ( 6 ) 相 同钢管混凝土边框和钢板厚度 的内藏 钢板剪 力墙试件 S WB 一 2 、 S WB 一 6 、 S WB - 7 , 剪跨 比 为 1 0的试 件 S WB 6与 剪跨 比为 1 5的试件 S WB 2和剪跨比为
14、2 0的试件 S WB - 7相 比, 极限 荷载值分别高 5 1 8 3 和 1 0 4 8 2 。 1 4位移 和延 性 试验所得各剪力墙位移及延性系数实测值见 表 3 。表 3中位移代表与水平加载点 同一高度处 的相应水平位移 , 其 中: 为与 F 对应 的开裂位 移 ; U 为与 F y 对应的屈服位移 ; U 为弹塑性最大 位移 ; 0 。 =U H代表弹塑性位移角 , 代表水平 荷载加载高度; Ix= U 为延性系数。 表 3 开裂位移、 屈服 位移 、 弹塑性位移实测值 分析表 3可见 : ( 1 ) 钢管混凝土边框 纯钢板剪力墙 5个试件 均具有 良好的弹塑性变形能力和延 性
15、 , 薄钢板试 件 S WA一 1的弹塑性 变形能 力较大 , 厚 钢板试件 S WA 一 3的弹塑性变形能力较小 , 说 明边框的强度 和刚度与钢板的强度和刚度应有合适的匹配。 ( 2 ) 钢管混凝土边框纯钢板剪力墙 中, 钢板 厚度相同的试件 S WA 一 2 、 S WA- 4 、 S WA一 5弹塑性变 形能力接近 。内藏钢板与边框柱采用螺栓连接的 剪力墙 S WA - 4和采用焊接 的剪力墙 S WA 一 2变形 能力接近。开孔钢板剪力墙 S WA - 5与无孔钢板 剪力墙 S WA 一 2的工作性能接近 ; 钢板上开 圆孔后 其圆孔变形呈椭 圆形 , 这一 圆孑 L 变形过程起 到
16、了 一 定的耗能作用。 ( 3 ) 钢管混凝 土边 框 内藏钢 板组 合剪 力墙 S WB 一 1 、 S WB 一 2、 S WB 一 3 , 试件 S WB - 2的弹 塑性 变 形能力较强 , 其弹塑性最 大位移分 别 比 S WB - 1 、 S WB 一 3提高了 1 1 6 9 、 1 4 O 1 , 说 明试件 S WB - 2内藏钢板厚度与外包混凝土墙体厚度匹配较为 合理 。 ( 4 ) 钢管 混凝 土边 框 内藏钢板 组 合剪力 墙 S WB 一 1S WB - 3与相应的钢管混凝土边框纯钢板 剪力墙 S WA 1S WA - 3相 比, 屈服位移接 近, 弹 塑性最大位移比
17、值分别提高 1 3 2 7 、 3 0 9 6 和 4 5 9 9 , 说明钢板与外包混凝 土墙体组合后 , 其 相对变形能力显著提高, 同时一定程度上对较厚 纯钢板墙延性相对较差的缺陷起到 了补偿作用 , 这正是混凝土墙体约束 了钢板平面外屈曲、 钢板 通过拉结钢筋或栓钉以及与混凝土墙体的粘结作 用制约 了混凝土墙体 的过早开裂和裂缝过快发展 的结果 。 ( 5 ) S WB 2试件与 S WB - 4试件的弹塑性最大 位移接 近 , 这 与 S WA 一 2试件 与 S WA - 4试件 的弹 塑性最大位移接近是相关的。 ( 6 ) 混凝土墙体与内藏钢板之 问采用拉结钢 筋连接的试件 S
18、WB - 2与采用钢板 焊接 栓钉连接 的试件 S WB 5相 比, 弹塑性变形能力 明显提 高, 其弹塑性最大位移提高了3 2 6 0 。 ( 7 ) 钢管 混凝 土边框 内藏 钢板 组合 剪力墙 S WB 一 6、 S WB 一 2和 S WB 一 7相 比较 , 截 面完全相同, 区别仅在于剪跨 比不 同, 剪跨 比分别为 A=1 0 、 A :1 5 、 A= 2 0, 剪跨 比较大的高剪力墙 S WB - 7延 性较好 , 其延性系数分别 比中高剪力墙 S WB 一 2、 低 矮剪力墙 S WB - 6提高了 1 1 7 5 、 8 1 9 1 。 1 5 滞 回曲线和 耗 能 实测
19、所得各试件 的“ 荷载 F 一 位 移 U” 滞 回曲 线见 图 3 。实测所得各个 试件 的耗能值 见表 4 。 表 4中的耗能值取滞回曲线外包络线所包围的面 积以作 比较 , 显见这种确定耗能值 的方法对一次 低周反复荷载便加载至构件破坏是适用 的, 而这 里的耗能值 只是总耗能的一部分。 2 2 2 土木工程与管理学报 2 0 1 1 年 : = = Z 历 - 一 翟蕾辫 。 二 二 = = = 曙嚣I r 【 mm ( g )S WA 一 4 i 。量 三 三 三 =_= -=j 图3 试件“ 荷载 F 一 位移 U” 滞回曲线 表4 试验试件的耗能能力对比 从图 3中和表 4可见
20、: ( 1 ) 钢管混凝 土边框 纯钢板剪力墙 S WA 一 1 、 S WA - 2 、 S WA 3的滞 回曲线均较为饱满; 薄钢板剪 力墙 S WA 1的承载力和刚度较小 , 钢板剪切弹塑 性变形占的比例相对较大 , 滞 回环捏拢现象相对 明显; 钢板厚度适中的剪力墙 S WA - 2综合滞回耗 能能力较强; 钢板厚度较厚的剪力墙 S WA - 3滞回 曲线饱满 , 呈梭形 , 因中部钢板抗剪能力较强 , 故 底部弯曲弹塑性耗能 占的 比例较大 , 但承载力和 刚 度 下 降 较 快 , 综 合 耗 能 能 力 比 S WA - 2低 9 5 2 。 ( 2 ) 钢管混凝土边框纯钢板剪力
21、墙 S WA - 2与 剪力墙 S WA - 4的耗能能力非常接近 , 说明钢板与 2 2 4 土木工程与管理学报 2 0 1 1 年 有三组平行的交叉斜向褶皱拉力带, 但是上 面一 组交叉斜向褶皱拉力带若隐若现且其屈曲程度较 轻 , 说明其在加载过程中耗能能力未能充分发挥 , 主拉力带 的水平倾角约 4 5度。 ( 2 ) 钢管混凝土边框 内藏钢板剪力墙 S WB 1 、 S WB - 2 、 S WB - 3的外包混凝土墙体限制了钢板 的平面 外 屈 曲; 内藏 钢 板 厚 度 较 小 的 剪 力 墙 S WB 一 1 混凝土破坏较重 , 内藏钢板厚度较大 的剪 力墙 S WB - 3混凝
22、土破坏较轻 , S WB - 2混凝土破坏 程度介于 S WB - 1和 S WB 3之间, 说明内藏钢板与 混凝土墙体分担水 平地震作用 的比例 , 随着钢板 厚度增大而增加。 ( 3 ) 剪力墙 S WA - 4与 S WB 4 破坏形 态 比较 可见, S WB -4混凝土墙体 与钢管混凝 土边框界面 处通高出现了混凝 土损伤竖 向条带 , 这是钢板与 边框连接螺栓与混凝土墙体相互作用的结果。 ( 4 ) 剪力墙 S WB 一 5与 S WB - 2破坏形态类似, 但 S WB - 2混凝土墙体 的裂缝较多 、 分布域较广 , 说明混凝土墙体与 内藏钢板之间采用拉接钢筋连 接更有利于发挥
23、混凝土墙体在裂缝开裂与闭合过 程 中的抗震耗能作用。 ( 5 ) 剪力墙 S WB - 6 、 S WB - 2 、 S WB - 7的破坏形 态相 比, 低 矮剪力墙 S WB - 6的剪切 破坏特征 明 显, 高剪力墙 S WB -7弯曲破坏形态为主, 中高剪 力墙 S WB -2破坏 形态 于 S WB -6和 S WB - 7之 间 。 2 承载力计算 根据试验结果 , 提出了钢管混凝土边框纯钢 板剪力墙承载力计算公式 。将剪力墙承载力简化 为钢板和框架两部分承载力的叠加 , 作如下假定 : ( 1 ) 框架和钢板两部分共同承担水平荷载。 ( 2 ) 竖向荷 载有框架柱 承担, 忽略钢
24、板墙承 担的竖 向荷载。 ( 3 ) 基于本文的对称结 构及构造特 点, 极 限 承载力状态下将钢板简化为等带宽的斜拉带和斜 压带。 ( 4 ) 斜拉带和斜压带的合办作用线分别与边 框柱轴线在柱底截 面相交。 ( 5 ) 斜拉带和斜压带近似与水平线呈 4 5 。 。 计算模型如图5 ( a ) 、 ( b ) 、 ( c ) 所示。本文试 件当钢板屈服后 , 其 钢管混凝土边框柱在底 部刚 度较大的基础和上部 刚度 较大 的加载梁强 约束 下 , 呈现出钢管混凝 土边框柱反弯点近似在柱的 H 2高度处的形态 , 故在建立模 型时假定基 础为 刚性、 加载梁为刚度无穷大刚性杆件 , 框架柱的反
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