半刚性部分组合框架-钢板剪力墙新结构体系抗震性能及设计方法研究

Based on the research of Semi-Rigid Connection Frame - Steel Plate Shear Walls, combined Partially Encased Composite Frames and steel plate shear wall structure, the study proposes the Semi-Rigid Connection Partially Encased Composite Frame - Steel Plate Shear Wall new structure system. Partially Encased Composite Frames could effectively reduce the steel columns’ "pull-in" phenomenon under effort of the additional bending moment, in the meantime, could make setting semi rigid connections of composite structure much more simplier. Experimental and theoretical study on the seismic behavior of the double web angle connections frame, flush end plate connections frame and end plate with penetrating bolted connections frame with unstiffened, cross stiffened, diagonal stiffened steel plate shear wall structures.This work systematically studies the characteristics of new structure system, including internal conversion mechanism, and energy dissipation mechanism, explored the interaction of frame and steel plate wall; analyses the influence of the key parameters , including materials strength, steel ratio, binding joist separation distance, axial compression ratio, connection stiffness and infill wall and frame stiffness ratio, discusses the performance of surrounding column and steel wall, obtains the limitation of column flexibility under the axial compression,the stability analysis method and the seismic design method of structure. This study will further promote the development of design methods for steel structure and the application of new resistance-lateral force system.

本研究将“钢与混凝土部分组合框架”与“钢板剪力墙结构”相结合，引入部分组合框架的突出作用在于：有效解决了附加弯矩作用下钢板墙边柱的“沙漏”现象，改善了组合框架中半刚性节点的设置难题，实现了钢板墙结构“强框架弱墙板”的设计理念。研究者在半刚性框架—钢板剪力墙结构体系研究基础上，提出半刚性部分组合框架—钢板剪力墙新结构体系，以腹板双角钢、平齐端板和对穿螺栓端板三种连接形式的半刚性部分组合框架，配合非加劲、十字加劲和斜加劲三种墙板构建新结构，系统研究半刚性部分组合框架与钢板墙共同工作时的内力转换机制和耗能机理；探究节点、框架和墙体的相互影响过程；分析各关键参数（材料强度、框架含钢率、系杆间距、轴压比、节点刚度及墙板与框架刚度比）对结构抗震性能的影响；获取结构的实用恢复力模型以及边柱刚度和稳定性要求；提出此类结构的抗震设计方法。本研究将有助于推动钢结构设计方法的变革和新型抗侧力结构体系的推广应用。

本项目首次提出了半刚性部分组合框架—钢板剪力墙新型双重抗侧力体系。申请者采用腹板双角钢连接、平齐端板连接和对穿螺栓连接三种梁柱连接形式，横向系杆和斜向系杆两种系杆形式，以及非加劲和十字加劲两种面外加劲形式，开展了新体系的试验研究和理论分析。全面研究了半刚性部分组合框架与钢板剪力墙共同工作时的内力转换机制和耗能机理，分析了半刚性节点、部分组合框架和内嵌墙体的相互影响过程。确定了梁柱连接中考虑混凝土组件的简化力学模型，获得了钢板剪力墙的实用简化分析模型以及框架柱刚度的等效算法，综合对比了半刚性节点刚度、系杆形式、有无混凝土组合作用以及不同面外加劲形式对结构性能的影响，从而提出了此类结构的抗震设计方法。研究结果表明：该种结构体系整体表现出稳定的承载力，良好的塑性变形能力以及抵抗结构平面内、平面外变形的能力。部分组合框架柱通过混凝土和横向系杆对钢柱组成板件的支撑和拉结作用，有效避免了钢板剪力墙结构平面内的“沙漏现象”，抑制了框架柱平面外的整体失稳和组成板件的局部屈曲，解决了钢与混凝土组合柱中半刚性节点的设置难题，实现了框架与墙板的强度匹配、延性匹配和刚度匹配。结构体系表现出在高持续荷载下的稳定变形能力，结构的破坏顺序为内填墙板首先屈曲或屈服，墙板对角拉力场（或平面剪切变形）充分发展，墙板全面塑性发育，直至墙板大面积撕裂充分发挥耗能能力，最终框架先后在梁端和柱脚区域形成塑性铰。该破坏顺序实现了钢板剪力墙体系平面内的合理破坏机制，体现了钢板剪力墙结构“强框架、弱墙板”，“强柱弱梁”的设计理念。本研究将进一步扩大钢结构体系和组合结构体系种类，推动钢板剪力墙结构的推广和应用。