带ALC墙板和楼板的轻型钢框架在侧向荷载作用下的性能研究

来源 :同济大学土木工程学院 同济大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jimgui19810917
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新型ALC墙板和楼板为围护体系的轻型钢框架住宅结构具有自重轻、抗震性能好、综合造价低的特点,符合住宅产业化、绿色环保和可持续发展的要求。钢结构住宅采用这种新型围护体系,其在侧向荷载(风和地震)作用下的适用条件以及工程应用性能如何,必须进行系统的研究。本文以试验研究为手段,探讨了ALC墙板和楼板在侧向荷载作用下的受力性能、破坏过程、刚度变化规律以及最终的破坏模式;结合非线性有限元方法,分析了影响墙板侧向刚度的诸因素;通过理论推导,给出了墙板在不同构造条件下的剪切刚度公式;最后根据钢框架的变形特点,研究了墙板和钢框架共同工作时的相互影响,给出了墙板和钢框架共同工作的设计准则。主要内容如下: ⑴进行了ALC墙板的抗剪性能系列试验研究。对影响整片墙板能否共同工作的主要因素—单板拼合粘结界面的抗剪性能进行了试验和分析;在此基础上完成了采用该类拼合界面构造的6片墙板的面内剪切性能试验,归纳出墙板从加载到破坏的刚度和承载力变化规律以及破坏模式;再应用墙板试验中的某一连接工法,完成了两层两跨带ALC墙板的框架试验,进行了单调和循环荷载作用下的框架和墙体共同工作的机理分析。系列试验研究表明:墙板在侧向荷载作用下,按其剪切刚度的变化特征分为四个阶段:逐渐退化段、丧失段、恢复段;和破坏段。第Ⅰ阶段的荷载—位移曲线上有-最明显的刚度退化转折点。当拼合粘结界面的初始剪切刚度较大时,墙板剪切刚度的退化主要是由界面剪切刚度的退化引起,刚度退化转折点对应于拼合粘结界面剪切刚度退化的始点;当拼合粘结界面的初始剪切刚度较小时,墙板剪切刚度的退化主要是由界面剪切刚度的退化和墙板材料的弹塑性共同作用所致。在满足层间相对变形不超过1/350的条件下,墙板中有少量微裂缝出现,各螺栓连接部位完好,能满足正常使用的要求。第Ⅲ阶段末的极限变形能符合钢结构较大的弹塑性层间变形的要求。墙板在大变形极限状态下,钩头螺栓连接虽有松动但未出现破坏;墙板破坏虽严重,但未出现坍塌。墙板的最终破坏形态为拼合界面错动的锯齿型。 ⑵进行了ALC墙板抗剪性能试验有限元分析。利用有限元接触方法,给出了墙板拼合界面刚度退化规律、刚度退化界限点的荷载、界面应力等参数;对于墙板的有限元分析结果在荷载—位移关系、应力、开裂以及破坏模式上和试验取得较好吻合;进一步地扩展有限元分析,给出了影响墙板剪切性能的主要因素;对带墙板的钢框架的有限元分析再次证明了有限元接触方法的可靠。在上述试验和有限元分析的基础上,通过数值手段进一步分析了界面剪切刚度的变化规律,给出了拼合粘结界面剪切刚度的统一表达式;并在此基础上考虑了影响墙板侧向剪切刚度的诸因素,推导了两种螺栓布置方式的墙板的初始剪切刚度、界面粘结退化后的有效剪切刚度和多次反复荷载作用下的稳定剪切刚度;再和前述6片墙板面内剪切性能试验和有限元分析结果进行了比较,吻合较好。最后给出直线型螺栓布置的墙板与钢结构共同工作时的杆系简化模型。考虑墙板和钢框架的共同工作,从理论上推导了两者共同工作的机理和相互影响关系。再给出在弹性范围内的稳定刚度计算公式,并和前述墙板—钢框架共同工作的试验结果进行了比较,结果表明两种方法分析得到的试验结构底层墙板侧向刚度的贡献率约为22%。在稳定刚度公式的基础上,考虑不同的参数变化和使用条件,分析得到保证墙板正常使用的相对位移限值为1/350。最后根据侧向荷载的类型,对不同螺栓布置的墙板分别给出了和钢框架共同工作的设计和使用准则。 ⑶对楼板在侧向荷载作用下的性能进行了系列试验研究。完成了4片楼板面内剪切性能试验和带ALC楼板的框架试验,给出了不同受力条件下的机理性分析和楼板平面内剪切刚度的评价。试验结果表明:当水平荷载垂直于板缝方向,楼板平面变形角不超过1/720时,ALC拼合楼板满足正常使用的要求。楼板面内剪切刚度虽不满足刚性楼板的假定,但仍可以协调各榀框架承受水平剪力。水平荷载平行于板缝方向时,单板界面错动值不能满足正常使用对裂缝的控制要求,且面内剪切刚度很小,故不建议使用。当钢框架各榀之间受到不等的水平荷载时,在保证试验整体结构在弹性范围内工作时,ALC拼合楼板以及现浇混凝土ALC叠合楼板能在各榀框架之间传递一定量的水平剪力,协调各榀框架抗侧,在一定程度上起到了和水平楼面支撑相同的作用,且现浇混凝土ALC叠合楼板在传递剪力和协调各榀框架受力的性能方面优于ALC拼合楼板。
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