常温下及高温后外包钢板混凝土组合剪力墙抗震性能试验及有限元分析

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外包钢板-混凝土组合剪力墙作为一种新型抗侧力构件,综合了钢材优异的受拉延性和混凝土良好的受压性能,充分发挥钢板和混凝土的共同工作特性,与传统钢筋混凝土剪力墙相比,具有更高竖向承载力和水平抗剪承载力,延性及抗震性能更好,并可有效减小剪力墙厚度,增加建筑使用空间,具有很好的工程应用前景。但相关试验和理论研究尚不充分,特别是已有的研究通常关注其常温下的受力性能,对其火灾(高温)后受力性能的研究很少。本文对这一新型组合剪力墙在常温下及高温后的抗震性能进行了试验研究及有限元分析,主要工作及结论如下:(1)进行了3个不同剪跨比的外包钢板-混凝土组合剪力墙试件在常温下的水平低周往复加载试验,并与3个具有相同参数、经历1h高温作用后试件的对应试验结果进行对比分析。结果表明,高温作用对试件的破坏形态影响较大,常温下试件钢板局部屈曲变形较小,出现较晚,主要集中在墙身正、背面底部及两侧底部;高温后试件较早出现局部钢板屈曲,鼓起变形较大,屈曲范围沿高度向上往墙身中部扩展。剪跨比1.0及1.5的试件表现为剪切型破坏,剪跨比2.0的试件为弯曲型破坏。(2)剪跨比为1.0、1.5、2.0的试件高温后的极限承载力相比常温下分别降低了23.8%、19.6%、11.3%,高温后的极限位移相比常温下分别增加了48.3%、37.2%、24.9%。与常温下试件相比,高温后试件的极限位移增大,极限承载力降低,刚度及耗能能力减小,表现出一定程度的抗震性能劣化,但总体上看抗震性能仍属较好。(3)试验结果表明,无论是常温下试件还是高温后试件,试件刚度、极限承载力均随剪跨比增大而减小,极限位移、延性、耗能能力均随剪跨比增大而增大。与常温下试件相比,剪跨比越小,高温后试件的极限承载力、延性及耗能能力降低幅度更大,从而抗震性能的劣化程度越大。(4)以通用有限元软件ABAQUS为分析平台,对常温下及高温后的6个外包钢板-混凝土组合剪力墙试件的水平低周往复加载试验进行了数值模拟。结果表明有限元分析可较好模拟组合剪力墙的受力性能,在试件破坏形态、滞回曲线、骨架曲线等方面与试验结果较为接近。分析结果验证了有限元建模方法及参数设置的有效性,为进一步参数化分析奠定了基础。(5)以上述6个常温下及高温后试件的相关参数为基础,利用ABAQUS软件完成了54个有限元模型的参数化分析,初步考察了轴压比、钢板厚度、墙体厚度、栓钉直径等参数变化对试件极限承载力的影响。结果表明,随着轴压比、钢板厚度、墙体厚度的增大,试件在常温下及高温后的极限承载力均增大,且常温下试件的极限承载力增幅更大;不同参数试件在高温后的承载力与常温下相比均有不同程度的降低,轴压比、钢板厚度、墙体厚度越大,试件高温后承载力的降幅越大。
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