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软钢作为一种塑性好、滞回性能好、受外界环境影响小的钢材,可以用来制作成优良的结构耗能减振阻尼器。普通剪力墙因结构整体自重较大、抗侧刚度较大而引起较大的地震作用,特别是低矮剪力墙在地震作用下易发生延性较差的脆性剪切破坏。通过在剪力墙上开设竖缝并在竖缝处设置软钢阻尼器,可以将墙体的破坏特征转化为延性较好的弯曲破坏模式,软钢阻尼器与剪力墙可共同承担地震作用、共同储存和耗散地震能量,从而减轻主体结构的破坏,提高剪力墙结构的抗震性能。鉴于此,作者通过试验研究、数值模拟的方法,对软钢阻尼器的力学滞回性能、耗能能力及其在开竖缝装配式剪力墙中的应用进行研究,主要研究内容和成果包括:
(1)以软钢阻尼器中间宽度、倾斜角度和防屈曲形式为参数,设计了 8 组软钢阻尼器并对其进行低周反复加载试验,对阻尼器的破坏形态、滞回特性、延性性能、刚度退化、耗能能力等进行研究,结果表明:加劲肋的设置在延缓试件发生屈曲的同时,可以提高试件的承载能力;软钢中间宽度的增加、倾斜角度的增大能提高试件的承载力,但延性性能降低;加夹板防屈曲形式与加劲肋防屈曲形式相比,试件的承载力降低但延性提高,且同样能够延缓试件发生屈曲。
(2)采用有限元软件ABAQUS建立了软钢阻尼器的数值分析模型,其结果与试验结果吻合较好,基于此有限元模型,对不同设计参数的软钢阻尼器进行有限元数值模拟分析与理论分析,结果表明:软钢中间宽度的增加,虽能提高试件的承载能力,但截面应力分布变得不均匀,基于截面的削弱程度,提出截面削弱率λ,并给出其合理的取值范围;相同加载位移下,软钢的水平长度相同时,随着倾斜角度的增加,试件的最大承载力呈先增加后减小的趋势,试件的延性降低,为保证试件具有一定的承载能力的同时有较好的延性,软钢倾斜角度的建议取值为30°;加劲肋的布置方式对防屈曲效果有一定的影响:当软钢水平放置时,加劲肋工字形布置效果最优,当软钢倾斜布置时,增大加劲肋的厚度效果最优,通过理论分析得到通长布置加劲肋软钢阻尼器的屈服荷载计算公式;软钢的厚度与试件的初始弹性刚度呈一次函数关系,厚度的增加既可以提高试件的最大承载力,又可以延缓试件发生屈曲,但不利于阻尼器发挥作为第一道抗震防线的作用。
(3)对设置软钢阻尼器的开竖缝装配式剪力墙进行低周反复荷载试验,基于试验结果建立了设置阻尼器的开竖缝装配式剪力墙的ABAQUS数值分析模型,模拟分析结果与试验结果吻合较好。在此基础上,对不同因素的耗能接缝装配式剪力墙进行对比分析,结果表明:竖缝的设置降低了剪力墙的承载能力,但延性有所提高,在剪力墙竖缝处设置软钢阻尼器,不仅使剪力墙具有一定的承载能力和延性性能,而且有较好的耗能能力;软钢阻尼器偏剪力墙上部布置时的承载能力、延性性能高于均匀布置与偏下布置 的情况;阻尼器个数的增加会提高剪力墙的承载能力,但延性随之降低,阻尼器个数过多时,剪力墙混凝土塑性损伤加重,耗能能力降低;随剪力墙竖缝宽度的增加,剪力墙对阻尼器的约束作用降低,试件的承载能力降低,累积耗能值减小。在数值模拟的基础上,给出了各影响因素合理的设计建议,研究成果可为工程应用提供参考。
(1)以软钢阻尼器中间宽度、倾斜角度和防屈曲形式为参数,设计了 8 组软钢阻尼器并对其进行低周反复加载试验,对阻尼器的破坏形态、滞回特性、延性性能、刚度退化、耗能能力等进行研究,结果表明:加劲肋的设置在延缓试件发生屈曲的同时,可以提高试件的承载能力;软钢中间宽度的增加、倾斜角度的增大能提高试件的承载力,但延性性能降低;加夹板防屈曲形式与加劲肋防屈曲形式相比,试件的承载力降低但延性提高,且同样能够延缓试件发生屈曲。
(2)采用有限元软件ABAQUS建立了软钢阻尼器的数值分析模型,其结果与试验结果吻合较好,基于此有限元模型,对不同设计参数的软钢阻尼器进行有限元数值模拟分析与理论分析,结果表明:软钢中间宽度的增加,虽能提高试件的承载能力,但截面应力分布变得不均匀,基于截面的削弱程度,提出截面削弱率λ,并给出其合理的取值范围;相同加载位移下,软钢的水平长度相同时,随着倾斜角度的增加,试件的最大承载力呈先增加后减小的趋势,试件的延性降低,为保证试件具有一定的承载能力的同时有较好的延性,软钢倾斜角度的建议取值为30°;加劲肋的布置方式对防屈曲效果有一定的影响:当软钢水平放置时,加劲肋工字形布置效果最优,当软钢倾斜布置时,增大加劲肋的厚度效果最优,通过理论分析得到通长布置加劲肋软钢阻尼器的屈服荷载计算公式;软钢的厚度与试件的初始弹性刚度呈一次函数关系,厚度的增加既可以提高试件的最大承载力,又可以延缓试件发生屈曲,但不利于阻尼器发挥作为第一道抗震防线的作用。
(3)对设置软钢阻尼器的开竖缝装配式剪力墙进行低周反复荷载试验,基于试验结果建立了设置阻尼器的开竖缝装配式剪力墙的ABAQUS数值分析模型,模拟分析结果与试验结果吻合较好。在此基础上,对不同因素的耗能接缝装配式剪力墙进行对比分析,结果表明:竖缝的设置降低了剪力墙的承载能力,但延性有所提高,在剪力墙竖缝处设置软钢阻尼器,不仅使剪力墙具有一定的承载能力和延性性能,而且有较好的耗能能力;软钢阻尼器偏剪力墙上部布置时的承载能力、延性性能高于均匀布置与偏下布置 的情况;阻尼器个数的增加会提高剪力墙的承载能力,但延性随之降低,阻尼器个数过多时,剪力墙混凝土塑性损伤加重,耗能能力降低;随剪力墙竖缝宽度的增加,剪力墙对阻尼器的约束作用降低,试件的承载能力降低,累积耗能值减小。在数值模拟的基础上,给出了各影响因素合理的设计建议,研究成果可为工程应用提供参考。