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钢框架结构体系对墙体(板)的要求较高,钢框架与墙体(板)之间的共同作用机理是一个值得研究的课题。然而,由于墙体(板)并非主要承载构件,我国当前的设计方法是使钢框架承担全部竖向和水平荷载,墙体(板)构件不参与工作,实际上,钢框架受水平力作用时,墙体(板)会参与共同抵抗水平力。理论和实践都表明,墙体(板)对于提高钢框架体系的刚度与承载力具有重要意义,因此,若能将填充墙体(板)对钢框架的作用分析清楚,势必对钢结构的研究和应用产生积极的促进作用。本文通过开展低周往复荷载试验,对带复合墙板钢框架结构的抗震性能作了较为深入的讨论,并利用大型通用有限元分析软件ABAQUS进行了数值模拟,最后,结合试验数据和数值模拟提出了简化计算模型,并做了数值模拟验证。主要工作和成果如下:
(1)设计了8榀单层单跨试件并进行了低周反复荷载试验。考虑了6个主要参数:墙板厚度、墙板类型、墙板位置、钢框架柱的强弱轴方向、钢框架的节点形式以及墙板与钢框架的连接方式。根据试验现象和由试验数据获得的滞回曲线、骨架曲线、强度退化曲线、刚度退化曲线、延性系数、等效粘滞阻尼系数等,综合评价了结构的抗震性能。试验结果表明:墙板的破坏主要集中在与钢框架连接的预埋件处,但整体性优于传统墙体;连接件的可靠是确保墙板与钢框架协同工作的重要前提;增加墙板的厚度、加强墙板与钢框架之间的连接,均可改善结构的抗震性能。最后,给出了该结构体系在进行抗震设计时相关数据的建议取值。
(2)使用ABAQUS/Standard求解器模块对该结构体系进行了非线性有限元分析。钢框架和墙板分别采用Beam单元和Shell单元,钢筋采用整体式建模方式,分析表明这种建模方式不仅运算速度快,而且精度可靠。对于有限元模型中的柱脚,本文不仅测量了水平滑移,而且计算了柱脚的转动刚度,因此得到了较理想的模拟效果。整体而言,有限元模型对结构体系的刚度和强度的模拟效果良好,但高估了结构体系的耗能能力。
(3)在前人的研究成果的基础上,提出了适用于该结构体系的简化计算模型。本文提出了单压杆受力模型,即将复合墙板由一支等效桁架杆件所替代,并基于刚度等效的原则,给出了等效桁架杆件截面宽度的计算公式。针对每榀试件,均进行了数值模拟对比,结合试验数据,文中给出了各试件对应的墙板刚度折减系数,并经过综合考量确定了刚度折减系数的建议取值。