基于分层壳单元的钢管-双钢板混凝土组合剪力墙弹塑性有限元分析

钢管-双钢板混凝土组合剪力墙是将钢管混凝土剪力墙与钢板混凝土剪力墙结合的一种新型抗侧力构件。基于分层壳单元,采用有限元软件MSC Marc建立6片钢管混凝土剪力墙模型。通过钢筋应力与混凝土应变云图揭示钢管混凝土剪力墙在荷载作用下的微观受力状态;通过基底剪力-顶点位移曲线分析钢管混凝土剪力墙的承载力、延性及耗能能力。结果表明:钢管混凝土剪力墙有限元计算结果与试验结果吻合良好。在钢管混凝土剪力墙模型基础上,又建立3片钢管-双钢板混凝土组合剪力墙模型对其进行分析,结果表明:基于空间分层壳单元的有限元模型能够有效模拟钢管-双钢板混凝土组合剪力墙的非线性性能,在剪力墙结构地震下弹塑性分析方面具有一定参考意义。

焊接多腔双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能分析

大多数双钢板-混凝土组合剪力墙采用螺栓连接或焊接肋的方式使钢板和混凝土协同工作。然而,这种连接方式可能导致整体性和塑性变形效率较低,且制作复杂,焊接多腔双钢板-混凝土组合剪力墙能够有效地避免这些问题。为了深入研究焊接多腔双钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能,基于约束混凝土真三轴塑性-损伤本构模型和钢材弹塑性混合强化-韧性损伤本构模型,建立了组合剪力墙的精细化三维实体-壳模型,将模拟所得的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线、弹性刚度、承载力、累积耗能、等效阻尼粘滞系数和延性系数与已有拟静力试验结果相比较,发现两者吻合较好。分析结果表明:轴压比对组合剪力墙模型算例刚度和承载力的影响较小,而随剪跨比增大,组合剪力墙模型算例的刚度和承载力呈线性降低;轴压比对组合剪力墙模型算例总塑性耗能的影响较小,而剪跨比的影响较大,剪力墙总塑性耗能随剪跨比增大而降低;轴压比和剪跨比都不会改变算例各部件的耗能分配机制,即组合剪力墙模型算例以外钢板和内隔板耗能为主。

钢板-混凝土组合剪力墙裂缝控制及监测分析

以实际工程为背景,对1.7 m厚钢板-混凝土组合剪力墙的裂缝控制及监测进行分析。大体积混凝土构件,由于其水化热比较高容易产生温度裂缝,基于此首先对原材料及配合比进行优化设计,降低混凝土水化热。然后对大厚度组合剪力墙浇筑后采取合理的养护措施控制其内部温度以及对裂缝发生情况进行实测分析,最后经过一系列针对性的裂缝控制措施及监测结果表明,采用优化设计对大厚度组合剪力墙的裂缝控制优于同类工程的裂缝控制效果。

双层钢板-内填混凝土组合剪力墙整体稳定性分析

考虑几何初始缺陷和材料非线性,对带钢管混凝土端柱的双层钢板-内填混凝土组合剪力墙进行有限元弹塑性整体稳定性分析,研究高度、宽度、厚度、钢板与钢管厚度、混凝土强度和钢材强度等参数对墙体整体稳定性能的影响。通过有限元分析,得到极限稳定承载力、荷载-位移曲线和与组合剪力墙发生失稳时的应力云图。采用三项式和《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)的整体稳定系数公式进行分段拟合,拟合出整体稳定系数计算公式。最后提出轴压作用下的组合剪力墙的极限稳定承载力公式。结果表明:拟合公式计算的整体稳定系数略低于有限元模拟结果,说明本文提出的整体稳定系数计算公式较为安全合理。

双钢板混凝土组合剪力墙-钢梁单边螺栓端板连接节点抗震性能研究

为解决双钢板混凝土组合剪力墙与钢梁难以实现现场免焊装配化连接的问题,提出了一种采用分体垫片式单边螺栓端板连接的装配式节点构造,设计并制作了两个足尺试件进行低周往复加载试验及有限元分析,研究了连接节点的变形机理、破坏形态、承载能力、延性、耗能能力以及刚度退化性能。研究结果表明:根据节点区竖放H型钢翼缘厚度不同,节点破坏模式可分为梁端塑性铰破坏和柱壁破坏;发生梁端塑性铰破坏的节点滞回曲线呈饱满的梭形,表现出良好的抗震性能,柱壁及节点区内填混凝土基本保持完好;发生柱壁破坏的节点表现为螺栓孔周钢板受拉形成圆形屈服面,内填混凝土压溃,承载力较低且刚度退化严重,耗能能力较差,加载后期节点的转角主要源于节点区的转动,该失效模式在设计中应予以避免。

火灾下双钢板-混凝土组合墙抗冲击机理分析与挠度预测

双钢板-混凝土组合墙(steel-concrete composite wall,SC wall)常用于核电站、超高层等重要结构的承重构件,其在偶然荷载作用下的力学性能也是其推广应用的关键指标。为此,针对火灾下SC墙的抗冲击性能进行研究并给出相关设计建议。首先建立了SC墙在火灾与冲击耦合作用下的有限元模型,在验证模型可靠性基础上,开展了火灾下SC墙抗冲击机理的分析;然后研究了轴力、受火时间、材料强度、冲击能量与抗剪连接件形式等参数对SC墙在火灾下抗冲击性能的影响规律;最后给出了该类构件在耦合工况下跨中峰值挠度的预测公式。结果表明:随着受火时间的增加,SC墙受冲击变形模式由局部冲切逐渐转变为整体弯曲破坏;火灾下,混凝土为SC墙受冲击的主要耗能部件;混凝土强度、轴力与抗剪连接件形式对SC墙在高温下的抗冲击性能影响显著,钢板强度的影响则较小;建议的公式可较合理地预测火灾下SC墙受冲击后的跨中峰值挠度。

单面受火双钢板-混凝土组合剪力墙的耐火性能试验研究

为研究双钢板-混凝土组合剪力墙结构的耐火性能,对3榀采用不同剪力件连接(螺栓连接、栓钉连接、栓钉和剪力杆组合连接)的双钢板-混凝土组合剪力墙进行了轴压力和单面ISO-834标准升温作用下的耐火性能试验,得到这种新型组合剪力墙结构在火灾下的温度场分布、轴向变形及破坏模式,并就不同剪力连接件对组合剪力墙耐火性能的影响进行了分析和比较.结果表明,剪力连接件能够保证钢板与混凝土共同工作;采用不同剪力连接件连接的组合剪力墙在火灾下的破坏模式是相同的,但不同剪力件对组合剪力墙耐火性能的影响不同,采用螺栓连接的组合剪力墙的耐火极限最短,采用栓钉和剪力杆组合连接的剪力墙耐火极限最长.

低剪跨比带约束拉杆双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究

为了研究低剪跨比带约束拉杆的双钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能,对6个带约束拉杆的双钢板-混凝土组合剪力墙试件进行了滞回加载试验,研究了低剪跨比情况下包含不同参数的组合剪力墙的破坏模式、变形能力及耗能能力,得到了试件的滞回曲线、骨架曲线、承载力、位移延性系数、刚度退化曲线以及累计耗能曲线.然后,采用Open Sees程序对带约束拉杆的双钢板-混凝土组合剪力墙试件和普通钢筋混凝土剪力墙分别进行了数值模拟分析.研究结果表明:在低剪跨比情况下,带约束拉杆的双钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能良好;减小约束拉杆间距和端部增设型钢构件均可提高试件的承载力并改善其延性;与普通钢筋混凝土剪力墙相比,组合剪力墙的承载力和耗能能力显著提高.

基于钢板屈曲分析的双钢板-混凝土组合剪力墙轴压承载力计算方法

为了考虑钢板屈曲对双钢板-混凝土组合(DSCC)剪力墙的轴压承载力的影响,该文首先以4个组合墙的轴压试验为基础,采用ABAQUS建立DSCC剪力墙的有限元模型。模型中混凝土采用实体单元,钢板采用壳单元,剪力连接件采用非线性弹簧单元SpringA,并考虑了材料非线性和钢板初始缺陷。在验证有限元模型后,研究了不同参数对钢板屈曲的影响,得到了钢板屈曲应力的计算公式。分析结果表明:当钢板出现局部横向贯通屈曲时,破坏模式为屈曲位置的混凝土压碎;当钢板未发生屈曲时,破坏模式为钢板屈服;墙侧面钢板宽度较小时,侧面钢板不会发生屈曲。最后,基于钢板屈曲分析以及构件极限状态下的应力状态分析,提出了新的DSCC剪力墙的轴压承载力计算方法,引入了钢板屈曲的影响。结构表明:对比规范JGJ/T380―2015采用的计算公式,该文提出的计算方法具有更高的精度和稳定性,可用于DSCC剪力墙的深入研究以及工程设计。

双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究

提出一种新型的配置L形拉结件的双钢板-混凝土组合剪力墙。通过两组共6个双钢板-混凝土组合剪力墙试件的拟静力试验,对此新型组合剪力墙的抗震性能进行了研究。试件改变参数主要为轴压比和连接件间距,在试验的基础上对试件的破坏形态、承载能力、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线等进行分析。试验研究表明:L形拉结件的配置既能增强外包钢板对核心内混凝土的约束作用又能抑制外包钢板的屈曲,充分保证了外包钢板和混凝土之间的协同工作,此新型组合剪力墙具有较高的承载力,较好的延性及耗能能力。在达到峰值荷载之前,墙体钢板未发生明显的局部屈曲变形,最终组合剪力墙均因端柱屈曲拉裂而开始破坏;破坏时极限位移角的平均值为1/58;随着距厚比减小,试件的水平承载力和延性系数均显著提高。

双钢板-混凝土组合剪力墙变形特性的有限元分析

建立了双钢板-混凝土组合剪力墙的精细化有限元模型,在模型中采用了基于断裂能和单元特征长度的混凝土应力-应变关系,有限元分析获得的墙体侧向力-侧向总变形关系、弯矩-曲率关系与已有的他人试验结果吻合较好。对曲率二次积分求得弯曲变形,将总变形分解为弯曲变形和剪切变形两部分。结果表明,破坏模式为弯曲控制的双钢板-混凝土组合剪力墙在加载过程中弯曲刚度和剪切刚度均有退化,其剪切变形不宜采用弹性方法计算,且剪切变形占总变形的比例在变形过程中基本上为常数。对剪切变形在总变形中所占的比例进行了参数分析,结果表明,剪跨比显著影响剪切变形的所占比例,轴压比的影响可忽略。最后,提出了该比例的实用计算公式。

双层钢板-内填混凝土组合剪力墙滞回性能数值分析

在试验研究的基础上,分析双层钢板-内填混凝土组合剪力墙结构的受力特点,建立了带初始缺陷的有限元数值计算模型,并与试验结果进行了对比;通过有限元数值模拟,分析了轴压比、高宽比、宽厚比等主要参数对剪力墙滞回性能的影响规律及其特征.研究结果表明,高宽比、宽厚比、轴压比对双层钢板-内填混凝土组合剪力墙受力性能均有影响,轴压比是影响承载能力的主要因素,而高宽比与宽厚比是影响初始刚度的主要因素.

带约束拉杆双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能数值模拟及参数分析

为了研究带约束拉杆的双钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能,进行了16个该形式组合剪力墙的反复加载试验,并采用OpenSees程序对带约束拉杆的双钢板-混凝土组合剪力墙试件进行数值模拟.在试验及数值模拟的基础上,对影响该形式组合剪力墙抗震性能的主要参数进行分析.结果表明,高宽比、轴压比以及约束拉杆间距对剪力墙的抗震性能影响显著.随着高宽比的增大,组合剪力墙的初始刚度以及屈服荷载和峰值荷载减小显著,其后期刚度退化和耗能能力降低;轴压比对组合剪力墙抗震性能的影响主要表现在后期刚度的退化程度;约束拉杆间距的减小可以提高组合剪力墙的承载力,减弱后期的刚度退化程度,增大其耗能能力.

核工程双钢板-混凝土组合剪力墙面内受剪性能试验研究

国内核工程双钢板-混凝土组合剪力墙的研究起步较晚,对组合剪力墙的面内受剪性能研究较少。文中通过4片中低剪跨比核工程双钢板-混凝土剪力墙试件的面内拟静力试验,研究其在恒定轴压力和面内低周水平往复荷载作用下的破坏模式、受剪承载力、变形能力、延性、刚度和耗能能力等指标,分析了距厚比、剪跨比等因素对双钢板-混凝土组合剪力墙受剪性能的影响。试验结果表明:试件的破坏模式均为剪切破坏;距厚比对组合剪力墙钢板局部屈曲和试件变形能力、延性有较大影响,但对承载力影响并不显著;剪跨比越大,组合剪力墙的受剪承载力越小,但变形能力和延性越大;试件的累积耗能随加载循环次数呈指数型增长,抗震性能良好。

钢管混凝土框架-两边连接钢板组合剪力墙结构反应修正系数分析

钢管混凝土框架-钢板组合剪力墙结构体系(CFST-CSPSW)具有良好的延性和耗能能力,在实际工程中具有很好的应用前景。文章采用Open Sees有限元软件建立了CFST-CSPSW结构体系分析模型,基于增量动力时程分析法(IDA法),评估了CFST-CSPSW结构体系的抗震性能,分析了结构层数、跨数、自振周期等参数对结构性能参数的影响规律。研究表明:钢管混凝土框架-钢板组合剪力墙结构体系是一种抗震性能优越的双重抗侧力结构体系,其结构反应修正系数R和位移放大系数C_d随结构自振周期、层数、跨数的增大略有减小,结构性能系数变化趋势均随结构高度的增大逐渐减小趋于平缓。基于本文分析模型,提出了钢管混凝土框架-两边连接钢板组合剪力墙结构体系的结构反应修正系数R平均值为3.27,位移放大系数C_d平均值为3.05,为基于性能的组合结构体系设计提供参考。

钢管混凝土叠合边框内藏钢板-钢桁架双肢剪力墙抗震研究

在大连国际会议中心核心筒墙体抗震设计中,采用了一种钢管混凝土叠合边框墙肢内藏钢板、连梁内藏钢桁架的组合双肢剪力墙。为研究其抗震性能,进行了1个1/7缩尺的这种新型组合双肢剪力墙模型的低周反复荷载试验,分析了其承载力、延性、刚度及其退化、滞回特性、耗能能力和破坏特征,重点研究了钢管混凝土叠合边框、墙肢内藏钢板、连梁内藏钢桁架之间的共同工作性能。研究表明:内藏钢板-钢桁架可显著提高钢管混凝土叠合边框双肢剪力墙的承载力和延性性能;钢管混凝土叠合边框可充分发挥其承载力高、不易开裂、延性好的优势。文中提出了该新型组合双肢剪力墙的承载力计算模型,计算结果与实测结果符合较好。

方钢管混凝土组合异形柱框架-钢板剪力墙结构抗震性能试验研究

通过对一榀1∶2的方钢管混凝土组合异形柱(SCFST柱)框架-钢板剪力墙模型进行拟静力试验和有限元数值模拟,并与SCFST柱框架-支撑结构拟静力试验的结果进行对比,研究SCFST柱框架-钢板剪力墙结构体系的抗震性能.结果表明:试件表现出钢板剪力墙先屈曲,钢梁后产生塑性铰的屈服机制;试件滞回曲线包围面积大,有明显捏缩现象,骨架曲线呈S形;试件承载能力和刚度较高,延性较好,耗能能力随加载进程增大,强度退化不明显,破坏阶段仍保持较高承载力和耗能能力;试件与SCFST柱框架-支撑结构相比,抗震性能较优.有限元模型破坏特征与试验基本一致.

双钢板-混凝土短肢组合剪力墙抗震性能试验

对4个双钢板-混凝土短肢组合剪力墙试件进行了试验,考虑了单调、循环两种加载方式以及1.0、2.0两种剪跨比,研究了该类墙体的破坏模式、延性、刚度、承载力、耗能等抗震性能指标.试验结果表明:组合剪力墙在加载过程中经历了混凝土的开裂和压溃、钢板的屈曲和屈服甚至断裂,其破坏模式属于典型的弯曲控制型破坏;组合剪力墙的位移延性系数均超过3.0,试件具有较好的变形能力;剪跨比为2.0的组合剪力墙具有更好的延性;循环加载组合剪力墙表面钢板的屈曲和混凝土的严重损伤,致使其耗能较差;循环加载组合剪力墙的极限荷载、延性系数较单调加载组合剪力墙均降低10%以上.提出限制表面钢板屈曲的优化建议.

格栅管式双钢板组合剪力墙抗震性能的有限元分析

基于钢材延性损伤和混凝土三向约束的塑性损伤的有限元分析模型,进行格栅管式双钢板组合剪力墙抗震试验仿真分析,开展试验结果与有限元结果对比分析。研究表明:格栅管式双钢板墙三向约束管内混凝土,管内混凝土强度和延性大幅度提高;管内混凝土保护了外侧双钢板,避免了外侧双钢板受压屈曲破坏,二者协同工作,优势互补,其极限水平位移角为1/35左右。

带约束拉杆的双钢板-混凝土组合剪力墙承载力及变形分析

在对16个带约束拉杆的双钢板-混凝土组合剪力墙试件的滞回加载试验研究及数值模拟的基础上,分析得出该类型组合剪力墙在滞回荷载作用下的破坏模式以及影响其承载力和变形的主要参数。并综合考虑各主要参数影响效应,以承载力叠加法为基础,对其承载力和变形计算式进行数值拟合,推导出带约束拉杆的双钢板-混凝土组合剪力墙水平承载力和变形的计算公式。同时通过定量计算确定出该类型组合剪力墙在滞回荷载作用下的三折线型骨架曲线,该骨架曲线反映了组合剪力墙在水平荷载作用下的受力过程,计算值与试验值对比吻合较好。