新型剪力墙-钢框架混合结构动力特性及抗震研究

钢框架存在侧向刚度低的不足。钢-混凝土组合剪力墙可以充分发挥混凝土墙板和钢板二者的组合作用:混凝土墙板限制钢板的屈曲，钢板保证墙体具有良好的延性和耗能。将组合剪力墙作为钢框架的抗侧力体系，提高了钢框架侧向刚度，为采用相对经济的半刚性节点提供了可能。因此半刚性钢框架内填组合剪力墙结构是一种新型组合+混合的框剪结构体系，是探索理想抗震体系的一个有益尝试。本课题针对这一新型结构体系，在国内外现有研究的基础上，拟进行四个单跨两层大比例试件的动力特性测试及拟动力试验，采用有限元方法展开相关理论分析，考察梁柱节点类型、节点刚度、组合剪力墙类型等参数对结构弹塑性动力性能及滞回性能的影响。重点分析其强度、刚度、延性、耗能能力，以及钢框架与组合剪力墙协同工作状况、内力分配形式和破坏机理，提出提出动力特性计算方法、动力反应计算模型、简化的恢复力模型及抗震设计建议，推动相关理论的发展，并指导工程应用。

以钢板剪力墙作为基本支撑板，两侧（单侧）外包混凝土为钢板提供侧向约束，防止钢板过早屈曲失稳，这就形成一种钢-混凝土组合剪力墙。将这种组合剪力墙作为抗侧力体系，弥补了钢框架侧向刚度不足的缺点，为采用相对经济的半刚性节点提供了可能。这是一种新型的组合+混合框剪结构体系，称为半刚性钢框架内填组合剪力墙混合结构体系（SCSW）。本课题针对这一新型结构体系，设计了三榀1:3模型试件，即：半刚性钢框架-钢板剪力墙试件、半刚性钢框架-钢板单面外包混凝土盖板组合墙试件、半刚性钢框架-钢板双面外包混凝土盖板组合墙试件。(1)分别对三个试件进行了循环往复加载试验，从整体性能（强度、刚度、延性、耗能）、局部性能（内力）、传力机理、破坏机理四个方面对结构进行分析评价，总结不同组合墙形式对结构宏观及微观性能的影响。在试验的基础上，采用塑性理论分析，提出结构设计方法和侧向承载力简化计算公式。（2）利用ABAQUS建立非线性有限元模型，通过与试验结果进行比较，验证了模型的准确性，在此基础上进行了变参数分析，其中考虑了盖板数量、螺栓排布、盖板配筋、盖板厚度、盖板强度、钢板高厚比、节点转动刚度、钢板强度等8个参数对结构抗震性能的影响。（3）利用ANSYS模态分析模块，取前三阶振型对结构的动力特性进行研究，并与传统钢框架结构进行对比分析，总结了节点转动刚度、内填钢板厚度以及盖板厚度等参数对自振周期、频率和阻尼的影响规律。（4）利用Sap2000建立动力分析模型，进行弹塑性时程分析，研究了结构在动力荷载下的响应，并与混凝土剪力墙体系和纯钢板剪力墙体系进行对比分析。研究表明：钢板外包混凝土盖板后，结构承载力、延性和耗能均有明显提高；相比传统钢框架，SCSW结构自振周期变化范围更均匀，动力特性良好：采用半刚性节点对抗震更有利；混凝土盖板符合设计要求即可，不宜过厚。最后总结研究成果提出抗震设计建议，为相关规范编制及工程设计提供理论指导。