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钢框架-嵌挂结合型密肋复合墙板整体性能研究

龚超 贾明明 刘信 吕大刚

龚超, 贾明明, 刘信, 吕大刚. 钢框架-嵌挂结合型密肋复合墙板整体性能研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 121-129. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S020
引用本文: 龚超, 贾明明, 刘信, 吕大刚. 钢框架-嵌挂结合型密肋复合墙板整体性能研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 121-129. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S020
Chao GONG, Ming-ming JIA, Xin LIU, Da-gang LÜ. GLOBAL PERFORMANCE RESEARCH ON STEEL FRAMES WITH MULTI-RIBBED COMPOSITE SLABS[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 121-129. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S020
Citation: Chao GONG, Ming-ming JIA, Xin LIU, Da-gang LÜ. GLOBAL PERFORMANCE RESEARCH ON STEEL FRAMES WITH MULTI-RIBBED COMPOSITE SLABS[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 121-129. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S020

钢框架-嵌挂结合型密肋复合墙板整体性能研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S020
基金项目: 国家钢结构工程技术研究中心开放基金项目(YZB2017Ky01);国家自然科学基金面上项目(51978220)
详细信息
    作者简介:

    龚 超(1981−),男,安徽阜阳人,教授级高工,博士,从事钢结构研究(E-mail: 27748997@qq.com)

    刘 信(1994−),男,四川广安人,硕士生,从事装配式墙体研究(E-mail: 996523597@qq.com)

    吕大刚(1970−),男,黑龙江铁力人,教授,博士,博导,从事结构安全与工程力学研究(E-mail: ludagang@hit.edu.cn)

    通讯作者: 贾明明(1978−),男,内蒙古兴安盟人,副教授,博士,从事地震工程与结构工程研究(E-mail: jiamingming@hit.edu.cn)
  • 中图分类号: TU398.9

GLOBAL PERFORMANCE RESEARCH ON STEEL FRAMES WITH MULTI-RIBBED COMPOSITE SLABS

  • 摘要: 该文提出一种新型的嵌挂结合型密肋复合墙,不仅可以避免钢框架的外露腐蚀,同时外挂苯板可以起到保温隔热作用。钢框架与密肋复合墙体的受力和变形性能差别明显,在荷载作用下两者的受力变形模式和单独的构件受力时存在的差异需要通过二者的协同受力分析。因此该文建立钢框架-密肋复合墙协同体系的有限元模型,分析在不同墙体高宽比、不同开洞形式和不同框格数目下的结构整体受力性能,并通过滞回曲线、骨架曲线、耗散能量以及等效粘滞阻尼系数的分析,研究了墙体对整体结构性能的影响。
  • 图  1  钢框架正视图 /mm

    Figure  1.  Front view of the steel frame

    图  2  密肋复合墙配筋图 /mm

    Figure  2.  Reinforcement details of the multi-ribbed wall

    图  3  密肋复合墙侧视图 /mm

    Figure  3.  Side view of the multi-ribbed wall

    图  4  SPW结构试验骨架曲线与模拟结果对比

    Figure  4.  Comparison between the experimental backbone curve and simulation results of the SPW structure

    图  5  四种高宽比下结构滞回曲线

    Figure  5.  Hysteretic curves for structures with different aspect ratio

    图  6  四种高宽比下结构骨架曲线及刚度退化曲线

    Figure  6.  Skeleton curves and stiffness degradation curves for structures with different aspect ratio

    图  7  四种高宽比下结构耗能曲线

    Figure  7.  Energy dissipation curves for structures with different aspect ratio

    图  8  不同开洞形式下结构滞回曲线

    Figure  8.  Hysteretic curves for structures with different openings

    图  9  不同开开洞形式下结构骨架曲线和刚度退化曲线

    Figure  9.  Skeleton curves and stiffness degradation curves for structures with different openings

    图  10  不同开洞形式下结构耗能曲线

    Figure  10.  Energy dissipation curves for structures with different openings

    图  11  同开框格数目下结构滞回曲线

    Figure  11.  Hysteretic curves for structures with different girds

    图  12  不同开框格数目下结构骨架曲线和刚度退化曲线

    Figure  12.  Skeleton curves and stiffness degradation curves for structures with different girds

    图  13  不同框格数目下结构耗能曲线

    Figure  13.  Energy dissipation curves for structures with different girds

    图  14  特征荷载随混凝土占比变化曲线

    Figure  14.  Characteristic load varies with the concrete proportion

    表  1  有限元模拟相关材料参数

    Table  1.   Material parameters of the finite element model

    ABAQUS本构类型 材料 弹性模量/MPa 泊松比 抗压强度标准值fc,r /MPa 抗拉强度标准值/MPa 密度/(kg/m3)
    CDP C30混凝土 3.0×104 0.2 20.1 2.01 2400
    泡沫混凝土 1100 0.2 2.0 0.2 750
    累积损伤塑性本构 材料 弹性模量/MPa 泊松比 屈服强度标准值fc,r /MPa 密度/(kg/m3)
    理想弹塑性本构 HRB400钢筋 2.00×105 0.3 400 7850
    Q235钢材 2.06×105 0.3 235 7850
    苯板 6.6 0.27 0.15 50
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    表  2  四种高宽比下结构几何参数

    Table  2.   The geometric parameters for structure with different aspect ratio

    模型编号 HWR1 HWR2 HWR3 HWR4
    内嵌墙体尺寸(高×宽)/mm 2800×2800 2800×1950 1950×2800 2800×3650
    内嵌墙高宽比 1.0 1.44 0.70 0.77
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    表  3  四种高宽比下结构骨架曲线特征点

    Table  3.   Characteristic points on skeleton curves for structures with different aspect ratio

    模型编号 加载方向 屈服层间位移角 屈服荷载/kN 峰值层间位移角 峰值荷载/kN 极限层间位移角 延性系数
    HWR1(BenchMark) 正向 2/609 437.78 7/600 548.02 3/200 4.57
    负向 1/274 −439.93 7/600 −545.05 3/200 4.11
    HWR2 正向 4/905 379.36 1/100 470.19 3/200 3.39
    负向 1/230 −370.01 1/120 −456.73 3/200 3.45
    HWR3 正向 1/203 562.20 1/86 687.7 4/215 3.78
    负向 1/200 −550.50 1/86 −668.54 4/215 3.72
    HWR4 正向 1/449 521.93 3/385 651.15 6/385 6.99
    负向 1/387 −528.63 1/110 −643.88 6/385 6.03
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    表  4  不同开洞形式下结构模型几何参数

    Table  4.   The geometric parameters for structures with different openings

    模型编号 HWD0 HWD-1 HWD-2 HWD-3
    内嵌墙体尺寸(高×宽)/mm 2800×2800 2800×2800 2800×2800 2800×2800
    开洞位置 无开洞 中窗 中门 边门
    开洞比例 0 1/16 31/224 31/224
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    表  5  不同开洞下结构骨架曲线特征点

    Table  5.   Characteristic points on skeleton curves for structures with different openings

    模型编号 加载方向 屈服层间位移角 屈服荷载/kN 峰值层间位移角 峰值荷载/kN 极限层间位移角 延性系数
    HWD0(BenchMark) 正向 2/609 437.78 7/600 548.02 3/200 4.57
    负向 1/274 −439.93 7/600 −545.05 3/200 4.11
    HWD1 正向 3/815 412.24 7/600 510.29 1/60 4.53
    负向 −3/757 −403.85 7/600 −503.59 1/60 4.21
    HWD2 正向 3/577 381.59 1/75 482.64 1/60 3.21
    负向 1/185 −381.76 1/75 −477.79 1/60 3.09
    HWD3 正向 2/401 372.52 7/600 46866 1/60 3.34
    负向 4/929 −382.58 1/100 −480.41 1/60 3.87
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    表  6  不同框格数目的结构模型参数

    Table  6.   The geometric parameters for structures with different girds

    模型编号 HL2 HL3 HL4
    内嵌墙体尺寸(高×宽)/mm 2800×2800 2800×2800 2800×2800
    横向框格数目 2 3 4
    竖向框格数目 2 3 4
    200 mm肋格层泡沫混凝土占比/(%) 64.6 56.3 48.5
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    表  7  不同框格数目下结构骨架曲线特征点

    Table  7.   Characteristic points on skeleton curves for structures with different girds

    模型编号 加载方向 屈服层间位移角 屈服荷载/kN 峰值层间位移角 峰峰值荷载/kN 极限层间位移角
    HL2 正向 1/263 411.28 1/120 533.37 3/200
    负向 2/469 −416.05 1/120 −537.12 3/200
    HL3(BenchMark) 正向 2/613 440.83 1/150 560.97 3/200
    负向 3/872 −432.94 1/100 −544.30 3/200
    HL4 正向 2/647 486.41 1/150 604.28 3/200
    负向 1/305 −486.02 1/100 −595.59 3/200
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-15
  • 修回日期:  2020-02-26
  • 网络出版日期:  2020-06-01
  • 刊出日期:  2020-06-01

钢框架-嵌挂结合型密肋复合墙板整体性能研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S020
    基金项目:  国家钢结构工程技术研究中心开放基金项目(YZB2017Ky01);国家自然科学基金面上项目(51978220)
    作者简介:

    龚 超(1981−),男,安徽阜阳人,教授级高工,博士,从事钢结构研究(E-mail: 27748997@qq.com)

    刘 信(1994−),男,四川广安人,硕士生,从事装配式墙体研究(E-mail: 996523597@qq.com)

    吕大刚(1970−),男,黑龙江铁力人,教授,博士,博导,从事结构安全与工程力学研究(E-mail: ludagang@hit.edu.cn)

    通讯作者: 贾明明(1978−),男,内蒙古兴安盟人,副教授,博士,从事地震工程与结构工程研究(E-mail: jiamingming@hit.edu.cn)
  • 中图分类号: TU398.9

摘要: 该文提出一种新型的嵌挂结合型密肋复合墙,不仅可以避免钢框架的外露腐蚀,同时外挂苯板可以起到保温隔热作用。钢框架与密肋复合墙体的受力和变形性能差别明显,在荷载作用下两者的受力变形模式和单独的构件受力时存在的差异需要通过二者的协同受力分析。因此该文建立钢框架-密肋复合墙协同体系的有限元模型,分析在不同墙体高宽比、不同开洞形式和不同框格数目下的结构整体受力性能,并通过滞回曲线、骨架曲线、耗散能量以及等效粘滞阻尼系数的分析,研究了墙体对整体结构性能的影响。

English Abstract

龚超, 贾明明, 刘信, 吕大刚. 钢框架-嵌挂结合型密肋复合墙板整体性能研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 121-129. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S020
引用本文: 龚超, 贾明明, 刘信, 吕大刚. 钢框架-嵌挂结合型密肋复合墙板整体性能研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 121-129. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S020
Chao GONG, Ming-ming JIA, Xin LIU, Da-gang LÜ. GLOBAL PERFORMANCE RESEARCH ON STEEL FRAMES WITH MULTI-RIBBED COMPOSITE SLABS[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 121-129. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S020
Citation: Chao GONG, Ming-ming JIA, Xin LIU, Da-gang LÜ. GLOBAL PERFORMANCE RESEARCH ON STEEL FRAMES WITH MULTI-RIBBED COMPOSITE SLABS[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 121-129. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S020
  • 密肋复合墙板以小截面的钢筋混凝土肋梁、肋柱为框格,内填轻质砌块或轻质混凝土,形成由钢筋混凝土框格和轻质填充材料复合的建筑构件[1]。对框架-密肋复合墙体的大量试验研究[2]表明:复合墙体框格内部的轻质材料与混凝土肋格在不同受力阶段不断进行内力重分配使结构体系具有较好的工作性能。可通过合理调整混凝土肋格的构造措施和数目让内填轻质材料充分参与结构体系的协同受力,达到结构体系构成多级抗震防线的目标,进而提高了地震作用下结构体系的安全性。文献[3-4]对1/2缩尺的外框和空肋格密肋复合墙体低周反复荷载实验。结合点接触、现砌工艺、轻钢龙骨框格等因素,对传统的密肋复合墙结构进行改进,分析不同结构形式、施工工艺和连接构造形式对单一密肋复合墙体受力性能的影响。在此基础上,文献[5]基于Timoshenko梁基本理论将框架和密肋复合墙体进行适当分解,提出了通过求解超越方程来计算混凝土框架和密肋复合墙体在特定水平荷载下的剪力分配关系。此外,文献[6]将密肋复合墙应用于底部大空间结构,对2榀底部框架-剪力墙上部密肋复合墙体结构1/2比例模型进行滞回加载试验.分析框支密肋复合墙体在低周反复荷载作用下的破坏过程、传力机理,给出了不同肋格形式下的结构层间位移滞回特性,构件钢筋的荷载-应变曲线和墙体的残余变形率。文献[7]则基于非线性程序IDARC对这两种结构体系依据方差分析法,对影响结构响应参数的因素进行显著性分析,同时分析了两种结构体系的变形模式。考虑到结构在拟静力加载下和地震动激励下结构体系的响应存在较大的差异,文献[8]基于1/6比例框支密肋复合墙结构模型的振动台试验,采用ABAQUS建立非线性有限元模型,并对几种典型工况下的地震反应进行数值模拟计算,得到了结构的动力特性与地震响应基本规律。

    已有研究主要集中在钢筋混凝土框架-密肋复合墙协同体系,缺乏密肋复合墙与钢框架结构的协同受力分析。钢框架与密肋复合墙体的受力和变形性能差别明显,在荷载作用下两者的受力变形模式和单独的构件受力时存在哪些差异不明确,且采用传统的内嵌型复合墙板,钢框架结构的外露在空气中,容易锈蚀不利于结构的耐久性,为此本文提出一种新型的嵌挂结合型密肋复合墙,通过构造形式解决了传统内嵌墙体的钢框架结构体系框架柱外露的问题,同时通过外挂苯板显著提高结构的保温隔热性能。并对该类型的新型密肋复合墙进行受力分析。

    • 基准(BenchMark)模型中的钢框架设计为单层单跨,钢框架层高 3000 mm,跨度3100 mm(如图1所示)。框架梁柱规格分别为HM200×150×6×10、HM300×200×8×12,钢材材质为Q235B级;梁柱节点采用刚性连接,柱脚采用刚性连接,设置翼缘加劲肋。密肋复合墙体分为4层,从外至内分别为50 mm外侧混凝土覆层、75 mm苯板保温层、200 mm肋格层、30 mm内侧混凝土覆层。相关构造如图2~图3所示。

      图  1  钢框架正视图 /mm

      Figure 1.  Front view of the steel frame

      图  2  密肋复合墙配筋图 /mm

      Figure 2.  Reinforcement details of the multi-ribbed wall

      图  3  密肋复合墙侧视图 /mm

      Figure 3.  Side view of the multi-ribbed wall

      基于ABAQUS的有限元数值模拟中混凝土、苯板、轻质混凝土和钢框架采用C3D8R单元,钢筋和钢丝网片采用T3D2单元。混凝土本构模型采用ABAQUS自带的混凝土累积损伤塑性模型(CDP模型),应力-应变曲线采用GB50010−2010《混凝土结构设计规范》[9]推荐的计算公式求得。泡沫混凝土应力-应变采用文献[10-11]给出的泡沫混凝土本构关系,峰值应变为0.003,其抗拉强度考虑为抗压强度的1/10,而极限开裂应变考虑为10倍开裂应变。挤塑聚苯乙烯泡沫墙面夹芯板根据文献[12]选用理想弹塑性材料本构。钢材同样采用理想弹塑性本构以及材料的延性损伤,以0.3的断裂伸长率确定钢材的损伤演化路径[13]。模拟中的材料参数如表1所示。

      表 1  有限元模拟相关材料参数

      Table 1.  Material parameters of the finite element model

      ABAQUS本构类型 材料 弹性模量/MPa 泊松比 抗压强度标准值fc,r /MPa 抗拉强度标准值/MPa 密度/(kg/m3)
      CDP C30混凝土 3.0×104 0.2 20.1 2.01 2400
      泡沫混凝土 1100 0.2 2.0 0.2 750
      累积损伤塑性本构 材料 弹性模量/MPa 泊松比 屈服强度标准值fc,r /MPa 密度/(kg/m3)
      理想弹塑性本构 HRB400钢筋 2.00×105 0.3 400 7850
      Q235钢材 2.06×105 0.3 235 7850
      苯板 6.6 0.27 0.15 50

      考虑模型简化原则,将钢筋笼和3 mm直径的钢丝网片全部嵌入到密肋复合墙中,内嵌部分墙体上下表面与钢框架梁TIE约束来模拟连接件数目足够多的工况,内嵌的肋格层与框架柱之间采用粘性行为的接触来表征实际工程中的砂浆层[14-15],相应参数参照文献[15],外挂苯板层与框架柱之间的接触采用摩尔库伦摩擦,切向摩擦系数取值为0.45。约束框架柱脚的6个方向自由度模拟底部固端约束。

    • 为验证模拟过程中采用的钢材损伤演化计算方法和单元选取的正确性,对文献[16-17]中的足尺钢框架-型钢混凝土抗侧力墙体系进行有限元模拟,钢框架、型钢、抗侧力墙体和栓钉采用C3D8R单元,钢筋采用T3D2单元,考虑钢材的延性损伤,相关材料参数见文献[16-17]。有限元计算得到的荷载-位移骨架曲线与实验曲线和文献中模拟结果的对比见图4

      图4可知,有限元模拟结构与文献给出的骨架曲线吻合良好,模型在极限位移处的破坏符合试验试件的破坏特征,由此可确定钢材损伤演化路径的定义和有限元建模方法正确。

      图  4  SPW结构试验骨架曲线与模拟结果对比

      Figure 4.  Comparison between the experimental backbone curve and simulation results of the SPW structure

    • 为研究钢框架-密肋复合墙协同体系在不同高宽比下的结构整体受力性能,在基准模型的基础上保持墙体厚度方向的尺寸和材料不变,通过改变结构体系的高宽比,对不同高宽比下的结构体系受力性能进行有限元分析,不同高宽比下的结构体系几何参数详见表2。相应的滞回曲线、骨架曲线、等效粘滞阻尼系数曲线等如图5~图7所示。

      表 2  四种高宽比下结构几何参数

      Table 2.  The geometric parameters for structure with different aspect ratio

      模型编号 HWR1 HWR2 HWR3 HWR4
      内嵌墙体尺寸(高×宽)/mm 2800×2800 2800×1950 1950×2800 2800×3650
      内嵌墙高宽比 1.0 1.44 0.70 0.77

      图  5  四种高宽比下结构滞回曲线

      Figure 5.  Hysteretic curves for structures with different aspect ratio

      图  6  四种高宽比下结构骨架曲线及刚度退化曲线

      Figure 6.  Skeleton curves and stiffness degradation curves for structures with different aspect ratio

      图  7  四种高宽比下结构耗能曲线

      Figure 7.  Energy dissipation curves for structures with different aspect ratio

      图5表明:四种高宽比下的结构体系滞回曲线较饱满,滞回环呈梭型,表现出良好的耗能能力。在墙体高度保持不变时(HWR1、HWR2、HWR4模型),随着墙体高宽比的减小,结构体系的抗侧刚度和极限承载能力增大。基准模型HWR1(高宽比1.0)的初始抗侧刚度为134.75 kN/mm,HWR2的初始刚度相对HWR1降低27%,HWR4初始抗侧刚度则相对提高30.73%。

      由能量法确定结构骨架曲线中的屈服点,从而得到延性钢框架-密肋复合墙协同体系的延性能力。由表3可知,内嵌墙体高度一致时,墙体的高宽比越小,其屈服位移越小,屈服荷载越大,延性系数增大。作为补充模型,尺寸更小的HWR3与高宽比相差不大的HWR4相比其屈服荷载和峰值荷载相差不大,除初始刚度存在差异外,在滞回加载的中后期,两者的刚度退化规律和割线刚度基本一致,未表现出明显差异。滞回耗能方面,随着高宽比的减小,协同体系的单圈滞回耗能随高宽比减小而增大,HWR3和HWR4模型在相同水平位移下的单圈滞回耗能基本一致。四种结构的等效粘滞阻尼系数均表现为随水平位移的增大而先减小后增大,当内嵌墙体部分的高度一致时,协同体系的等效粘滞阻尼系数也基本表现为高宽比越小,在相同位移角下等效粘滞阻尼系数越大的趋势。

      表 3  四种高宽比下结构骨架曲线特征点

      Table 3.  Characteristic points on skeleton curves for structures with different aspect ratio

      模型编号 加载方向 屈服层间位移角 屈服荷载/kN 峰值层间位移角 峰值荷载/kN 极限层间位移角 延性系数
      HWR1(BenchMark) 正向 2/609 437.78 7/600 548.02 3/200 4.57
      负向 1/274 −439.93 7/600 −545.05 3/200 4.11
      HWR2 正向 4/905 379.36 1/100 470.19 3/200 3.39
      负向 1/230 −370.01 1/120 −456.73 3/200 3.45
      HWR3 正向 1/203 562.20 1/86 687.7 4/215 3.78
      负向 1/200 −550.50 1/86 −668.54 4/215 3.72
      HWR4 正向 1/449 521.93 3/385 651.15 6/385 6.99
      负向 1/387 −528.63 1/110 −643.88 6/385 6.03
    • 墙体开洞削弱结构体系中主要抗侧力构件-密肋复合墙的结构完整性,因此在基准模型基础上,对三种不同开洞形式下的协同体系受力性能进行分析。不同开洞形式下的结构体系主要几何参数如表4所示。相应的滞回曲线、骨架曲线、等效粘滞阻尼系数曲线等如图8~图10所示。

      表 4  不同开洞形式下结构模型几何参数

      Table 4.  The geometric parameters for structures with different openings

      模型编号 HWD0 HWD-1 HWD-2 HWD-3
      内嵌墙体尺寸(高×宽)/mm 2800×2800 2800×2800 2800×2800 2800×2800
      开洞位置 无开洞 中窗 中门 边门
      开洞比例 0 1/16 31/224 31/224

      图  8  不同开洞形式下结构滞回曲线

      Figure 8.  Hysteretic curves for structures with different openings

      图  9  不同开开洞形式下结构骨架曲线和刚度退化曲线

      Figure 9.  Skeleton curves and stiffness degradation curves for structures with different openings

      图  10  不同开洞形式下结构耗能曲线

      Figure 10.  Energy dissipation curves for structures with different openings

      墙体开洞对结构体系滞回性能影响显著,随着开洞比例的增大,滞回环发生捏缩,结构体系的屈服位移、屈服荷载、初始刚度和峰值承载能力也随之减小,延性系数增大。由表5可知,HWD1和HWD2相对满布墙体的HWD,其正向屈服荷载分别降低了5.84%、12.83%,负向屈服荷载分别降低了8.20%、13.22%,峰值承载力分别降低了7%、12%左右。HWD1和HWD2的初始抗侧刚度则分别为HWD基准模型的88.3%和71.2%。滞回耗能上也表现为随开洞比例增大其耗能能力减小,随着塑性变形的增长,其单圈滞回耗能和等效粘滞阻尼比呈现上升趋势。

      表 5  不同开洞下结构骨架曲线特征点

      Table 5.  Characteristic points on skeleton curves for structures with different openings

      模型编号 加载方向 屈服层间位移角 屈服荷载/kN 峰值层间位移角 峰值荷载/kN 极限层间位移角 延性系数
      HWD0(BenchMark) 正向 2/609 437.78 7/600 548.02 3/200 4.57
      负向 1/274 −439.93 7/600 −545.05 3/200 4.11
      HWD1 正向 3/815 412.24 7/600 510.29 1/60 4.53
      负向 −3/757 −403.85 7/600 −503.59 1/60 4.21
      HWD2 正向 3/577 381.59 1/75 482.64 1/60 3.21
      负向 1/185 −381.76 1/75 −477.79 1/60 3.09
      HWD3 正向 2/401 372.52 7/600 46866 1/60 3.34
      负向 4/929 −382.58 1/100 −480.41 1/60 3.87

      当开洞比例较大时(开中门和边门时,即HWD2和HWD3计算模型),钢框架-密肋复合墙协同体系的骨架曲线趋于一致,两者间的差别较小,仅初始刚度的差别在5%左右,但后期刚度退化基本一致;在滞回耗能上HWD2和HWD3两者基本不存在差别(如图10所示)。

    • 密肋复合墙整体尺寸一致时,混凝土框格数目(即混凝土占比)直接影响密肋复合墙的刚度和承载能力,进而影响结构受力性能。框格混凝土占比越多(框格数目越多),密肋复合墙越接近于传统混凝土墙体,其抗侧刚度和承载能力越大。为此,本节分析不同框格数目下钢框架-嵌挂结合型密肋复合墙结构滞回特性,几何参数见表6,其中HL3为基准模型。有限元结果如图11~图14所示。表7给出了不同框格方案下结构骨架曲线的特征点。

      表 6  不同框格数目的结构模型参数

      Table 6.  The geometric parameters for structures with different girds

      模型编号 HL2 HL3 HL4
      内嵌墙体尺寸(高×宽)/mm 2800×2800 2800×2800 2800×2800
      横向框格数目 2 3 4
      竖向框格数目 2 3 4
      200 mm肋格层泡沫混凝土占比/(%) 64.6 56.3 48.5

      表 7  不同框格数目下结构骨架曲线特征点

      Table 7.  Characteristic points on skeleton curves for structures with different girds

      模型编号 加载方向 屈服层间位移角 屈服荷载/kN 峰值层间位移角 峰峰值荷载/kN 极限层间位移角
      HL2 正向 1/263 411.28 1/120 533.37 3/200
      负向 2/469 −416.05 1/120 −537.12 3/200
      HL3(BenchMark) 正向 2/613 440.83 1/150 560.97 3/200
      负向 3/872 −432.94 1/100 −544.30 3/200
      HL4 正向 2/647 486.41 1/150 604.28 3/200
      负向 1/305 −486.02 1/100 −595.59 3/200

      图  11  同开框格数目下结构滞回曲线

      Figure 11.  Hysteretic curves for structures with different girds

      图  12  不同开框格数目下结构骨架曲线和刚度退化曲线

      Figure 12.  Skeleton curves and stiffness degradation curves for structures with different girds

      图  13  不同框格数目下结构耗能曲线

      Figure 13.  Energy dissipation curves for structures with different girds

      图  14  特征荷载随混凝土占比变化曲线

      Figure 14.  Characteristic load varies with the concrete proportion

      在保持整体尺寸相同的情况下,框格数目对结构的滞回曲线形状影响有一定影响,框格数目较多时,结构峰值承载力有一定幅度提高。在研究范围内,采用4×4、3×3框格方案的HL4和HL3结构的正向峰值承载力相对于2×2框格方案的HL2结构分别提高5.17%(负向1.34%),13.29%(负向10.89%)。且框格数目越少,峰值荷载后的结构承载力退化越明显。表7得到的屈服荷载和屈服位移结果表明,框格数目越多,结构的屈服荷载越大,HL4和HL3结构的正向屈服荷载相对HL2分别提高7.18%(负向4.065)、18.27%(16.82%);而层间位移角则随框格数目增多而越小,对应的屈服点割线刚度由HL2的34.18 kN/mm增大为43.45 kN/mm(HL3模型)、50.9 kN/mm(HL4模型),各级位移下的割线刚度都是HL4最大,HL2最小。结构产生屈服前的单圈耗能差别较小,屈服后框格数目越多的结构其耗能越充分。等效粘滞阻尼比在结构发生屈服左右时最小,在0.175左右。屈服后继续加载,结构等效粘滞阻尼比先增大后稳定在0.20左右。此外,由图14可知,框格数目越多(混凝土占比越多)时,结构屈服荷载和峰值荷载增长越快;4×4框格方案相对于3×3框格方案的荷载增长幅度明显大于3×3框格方案与2×2框格方案的特征荷载差值。

    • 钢框架与密肋复合墙板二者协同工作,并共同决定结构体系的整体性能。密肋复合墙板既解决了钢框架腐蚀的问题又具有很好的保温功能,装配密肋复合墙板的钢框架结构具有良好的承载能力、延性和耗能能力。随着墙板高宽比的减小,结构体系的承载能力提高,割线刚度增加,耗能能力增强。随着开洞比率的增加,结构体系的承载能力降低,刚度下降,耗能能力减弱;而不同框格划分方案下的结构受力性能也表现出较大差别,框格数目划分越多时(即框格层中钢筋混凝土占比越大),密肋复合墙越接近于钢筋混凝土剪力墙,其承载力和刚度将得到提升。因此,密肋复合墙板的尺寸、形式,墙板开洞及密肋复合墙框格划分方式的影响需要在装配式墙板钢框架结构的设计中予以考虑,同时考虑结构的协同工作机理,综合分析结构体系的整体性能。

参考文献 (17)

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