钢板组合剪力墙高层建筑的抗震性能分析

  本篇论文是一篇建筑硕士论文范文，我国规范规定了抗震设防的三标准就是“小震不坏、中震可修、大震不倒”——这是一个十分重要的建筑行业领域的标准，那么接下来要来研究结构在罕遇地震这一重要的阶段作用下动力特性，这是研究结构在面对大地震时的各项结构动力指标和塑性损伤。由于动力弹塑性分析是作为结构分析中一个重要检验的过程，那么这个分析过程中不可避免会涉及到中结构在地震荷载作用下分析，分析结构的各项动力特性指标，并且其中还包括结构的的刚度变化还有损伤方面的各个因素的研究，这是一个十分关键的过程。

  1.2 高层建筑结构的特点及研究现状

  2.1 外包钢板组合剪力墙的相关理论及研究
  在外包钢板组合剪力墙的构造中主要是通过各种连接件来实现钢板组合剪力墙的外包钢板和里面所填置的混凝土之间的粘结滑移作用力，这样的构造从受力性能方面也提高了墙体的动力性能，这其中的连接件包括栓钉构件、加劲肋板构件、缀板或对拉螺栓这几种构件，规范对其单片钢板的厚度规定是至少要 10mm 以上，由于考虑到双钢板混凝土剪力墙的构造里面有拉结筋和栓钉的构造，因此要考虑外包钢板组合剪力墙里面的栓钉的间距与钢板组合剪力墙外包的钢板厚度之间的比值关系，当然规范中也规定这类剪力墙的厚度必须保证在一定的范围限度内，一般不宜超过800mm，如果超出这个范围，工程师在施工过程中必须在两个钢板之间设置水平和纵向的分布钢筋保证其安全稳定，钢筋之间的间距要保证在 300mm 的范围内，同时配筋率要大于 0.25%，并且在钢板之间要设置满足计算受力要求的对拉螺栓，以保证结构的安全稳定。下面总结外包钢板组合剪力墙结构中钢板和混凝土之间协同工作和破坏的工作机制的规律：钢板组合剪力墙通过钢板和混凝土以及内部的钢筋进行协调变形和受力，其中钢板和混凝土之间一般通过栓钉或者拉结筋来达到这种协调变形的关系，并且由于钢板具有很高的强度所以在混凝土发生受拉或者受压屈服达到破坏时，钢板可以通过其自身很强的延性和抗侧刚度来保证结构具有更强的抵抗外荷载或者地震力的能力。其中由于其延性比较大所以结构在达到最大的承载力之后也会下降比较慢，这是其优势所在。在钢板组合剪力墙的实验分析当中剪力墙在发生开裂之前，三种材料即混凝土、钢筋和钢板之间可以保持很好的协调变形的工作共同抵抗外力作用，此时混凝土承担更大的受力。当荷载越来越大的时候，混凝土的应力也越来越大，导致其开裂并且裂缝越来越大，此时混凝土不再作为主要的承力构件，钢板和钢筋构件开始发挥它们的强度优势，此后钢材作为主要受力部分工作直到整个构件屈服失效，整个过程中钢板发挥了在受力方面的优越性能提高了构件的承载力。

  2.2 内置钢板组合剪力墙的相关理论及研究

  内置钢板组合剪力墙主要包括内置的钢板构件、混凝土墙体以及构造分布钢筋，同时构造中还考虑了栓钉等构件，规范中明确了内置钢板墙关于构件配筋率方面的要求，这其中包括了构件在水平和纵向的最小配筋率如下表所示，对于剪力墙构件内的分布筋的间距规定不能超过 200mm的大小，而对于构件内拉结筋间距的规定不能超过 400mm，为了保证钢板和构造分布钢筋之间的有效连接需要在其之间设置连接确保稳定。在厚度方面的规定，内置钢板组合剪力墙中的钢板厚度不宜小于 10 毫米，而且钢板和剪力墙厚度的比值不宜超过 1/15。并且其端部为了组成内置型钢的约束，还要设置纵向钢筋和箍筋配合的两种钢筋。而对于端部构件钢板组合剪力墙混凝土保护层方面的规定规范是取了不宜小于 150mm 的要求，并且绕过剪力墙端部的型钢进行配筋。内置钢板墙中栓钉是这个构件中不可或缺的一部分，它的作用是作为钢板与混凝土之间协同工作连接的重要构件存在，规范中关于栓钉的直径明确了基本上要大于 16mm 间距不宜大 300mm。这里介绍一个内置钢板组合剪力墙结构经典的实验——上海同济大学吕西林教授团队的实验，本次实验亮点在于较为详尽的考虑了钢板组合剪力墙所涉及的各个参数进行研究，如钢板的厚度、强度、结构的高宽比以及混凝土强度等级和钢板组合剪力墙中钢板连接混凝土的栓钉和拉结筋的细部构造来研究其抗震性能，其中主要的抗震性能指标包括了结构的承载力、延性系数等参数,更加重要的是其滞回耗能特性。并且通过结构试验得到的滞回曲线进一步的探索钢板组合剪力墙的恢复力模型以及其等效的阻尼比。在本次试验中根据结构的高宽比、钢板的厚度、钢板的强度、混凝土的强度等级等指标，对所设置的十六个内置钢板组合剪力墙的试件进行低周反复荷载下的模拟地震作用的实验研究，并且对比在不同参数作用下，如不同的高宽比、不同的厚度、不同的细部构造以及不同的混凝土强度作用下的剪力墙的承载力、延性系数、等效粘滞阻尼系数、能量滞回消耗情况。

  3.1 工程概况

  3.2 有限元模型的建立

  第四章 罕遇地震作用下的弹塑性时程分析

  第五章 钢板剪力墙不同竖向布置的结构性能分析

  第六章 结论与展望

  本论文主要研究钢板组合剪力墙在某一高层结构的应用分析，分析和对比新钢板剪力墙结构在反应谱和时程分析中与普通剪力墙的抗震性能差异。本文以某高层结构为研究对象，通过有限元分析软件研究钢板组合剪力墙在某高层结构的应用布置，分析新钢板组合剪力墙结构相比于原结构在反应谱和时程分析作用下的抗震性能优势，得出的主要结论如下：首先从降低结构底部墙体厚度和减少剪力墙底部损伤的角度出发，通过对原结构底部楼层减少墙厚并布置钢板组合剪力墙，通过反应谱分析得出：新钢板剪力墙结构的自振周期和扭转效应减少，层间位移角比原结构稍有减少，但减少幅度较少，顶点位移响应也比原结构稍有减少，这是由于反应谱阶段钢板剪力墙还未发挥其较强的延性性能。新钢板组合剪力墙结构质量的减少使得结构的基底剪力峰值减少，其倾覆力矩增加。在罕遇地震分析中，减少墙体宽度尺寸并在结构中布置了不同钢板厚度的剪力墙之后平均的层间位移角比原结构分别减少 4.07%和 8.56%。其顶点时程地震响应和顶点加速度也明显比原结构普通混凝土剪力墙结构小，地震作用下模型三的顶点时程位移比原结构平均减少 5.1%，同时在大震作用下结构底部楼层布置的钢板发挥了其良好的延性增加了对混凝土的塑性损伤保护作用，减少了混凝土的受拉损伤破坏，剪力墙体的受拉损伤情况也比原结构的要小，说明钢板剪力墙结构在减少底部楼层剪力墙宽度尺寸的同时，提高了结构的抗震性能和减少剪力墙结构的损伤。通过研究钢板组合剪力墙不同竖向布置的抗震性能中，可以得出在反应谱分析中，随着钢板组合剪力墙底部楼层布置层数的提高，减少了结构的自振周期和扭转效应，由于在反应谱阶段钢板并未表现出较强的延性性能，所以其结构的地震响应随着钢板组合剪力墙结构底部楼层布置数的提高减少幅度偏小，在多遇地震中，随着底部钢板组合剪力墙结构布置楼层的提升，结构底部的抗剪性能和抗侧刚度提升，增大了结构抵抗剪切变形的能力，各工况下的层间位移角有所减少，结构响应有所减少，在多遇地震中随着钢板组合剪力墙竖向布置楼层的提升，其结构的位移响应减少幅度较小，而在罕遇地震作用中，随着底部钢板组合剪力墙结构布置楼层的提升，结构地震作用下的位移响应出现了较大的减少，结构底部的抗剪性能和抗侧刚度提升，增大了结构抵抗剪切变形的能力，罕遇地震下的抗震性能明显，但考虑结构的性能和经济性，不能盲目的增加底部钢板组合剪力墙的楼层布置数量，会造成一定的材料浪费，适当的在底部加强区布置钢板组合剪力墙可以提高结构的整体抗震性能。在高层建筑结构中钢板组合剪力墙具有较大的抗侧刚度、较强的塑性性能和延性等良好的受力性能，特别是在结构出现超限、超高层情况时，可以应用钢板组合剪力墙结构来提高结构性能。本文通过研究钢板组合剪力墙在某一高层结构的应用分析，分析和对比与原结构普通钢筋砼剪力墙的抗震性能差异，并考虑钢板剪力墙的不同竖向布置方案对剪力墙结构性能影响的研究，仍一些问题值得展望研究：本文后续可以研究其他不同的结构参数对钢板组合剪力墙的抗震性能影响，包括钢板组合剪力墙的配筋率以及墙体厚度等。本文后续还可以进一步分析不同形式和种类的钢板组合剪力墙对高层剪力墙结构的影响，可以包括其他形式的建筑结构，例如超高层结构或者超限结构的影响，会更能全面的体现钢板组合剪力墙对高层建筑结构的优越性能。本文分析了钢板组合剪力墙在高层结构的弹塑性阶段的损伤情况，还没有对其损伤模式进行更深入的研究，如果能进一步对其滞回耗能和损伤模式进行更加深入的分析，研究结构的滞回耗能沿着楼层的分布，会更有研究价值。本文论述了钢板组合剪力墙结构对于高层建筑结构的抗震性能影响，后续可沿着对钢板组合剪力墙的设计建议和承载力分析方面继续深入研究，也可以从构件的力学性能进行更加深入的分析，为以后钢板剪力墙的实际工程设计提出建议。