高耗能鋼纖維混凝土聯(lián)肢剪力墻受力性能研究

鋼筋混凝土聯(lián)肢剪力墻是高層建筑結(jié)構(gòu)中最重要的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，其受力性能對(duì)整體結(jié)構(gòu)的抗震性能至關(guān)重要，采用鋼纖維改善鋼筋混凝土聯(lián)肢剪力墻的耗能能力是非常有效的措施。本項(xiàng)目對(duì)鋼纖維增強(qiáng)鋼筋混凝土聯(lián)肢剪力墻進(jìn)行了研究，取得了以下研究成果： （1）完成了低周反復(fù)荷載下鋼筋鋼纖維混凝土連梁的試驗(yàn)，研究了鋼纖維體積率、鋼纖維混凝土強(qiáng)度和連梁跨高比等對(duì)鋼筋鋼纖維混凝土連梁剛度、裂縫、承載力、延性和抗震性能等的影響規(guī)律，提出了連梁斜截面受剪承載力的計(jì)算方法； （2）完成了3層鋼筋鋼纖維混凝土連梁和鋼筋混凝土剪力墻組成的聯(lián)肢剪力墻在低周反復(fù)荷載下的試驗(yàn)，研究了鋼筋鋼纖維混凝土連梁和鋼筋混凝土墻肢中裂縫的發(fā)展形態(tài)和分布、側(cè)向位移、剛度、延性等，探討了鋼纖維混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)聯(lián)肢剪力墻抗震性能的影響。結(jié)果表明，在聯(lián)肢剪力墻的鋼筋混凝土連梁中摻入鋼纖維，能夠提高連梁的承載力和耗能能力，進(jìn)而提高了整體剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震能力，剛度和承載力衰減程度降低； （3）完成了3層鋼筋鋼纖維混凝土連梁和鋼筋鋼纖維混凝土剪力墻組成的聯(lián)肢剪力墻在低周反復(fù)荷載下的試驗(yàn)，分析了鋼纖維體積率對(duì)聯(lián)肢剪力墻承載力、延性、剛度和耗能能力的影響，研究了鋼筋鋼纖維混凝土連梁的受力性能和剪力墻結(jié)構(gòu)承載能力和變形能力的關(guān)系。分析表明，在聯(lián)肢剪力墻中加入鋼纖維，可提高結(jié)構(gòu)的承載力、延性和耗能能力，延緩了剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度退化。 （4）完成了鋼筋鋼纖維混凝土連梁、鋼筋鋼纖維混凝土剪力墻、鋼筋鋼纖維混凝土連梁和鋼筋鋼纖維混凝土剪力墻組成的聯(lián)肢剪力墻的非線性分析，分析了連梁和剪力墻的恢復(fù)力特征，以及鋼纖維對(duì)骨架曲線和滯回曲線特征點(diǎn)的影響規(guī)律和計(jì)算公式，提出了骨架曲線和滯回曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 （5）通過聯(lián)肢剪力墻受力性能的數(shù)值分析，研究了連梁跨高比、剛度折減系數(shù)、混凝土強(qiáng)度等對(duì)聯(lián)肢剪力墻的承載力、剛度、延性和耗能能力的影響，對(duì)聯(lián)肢剪力墻中連梁和墻肢的設(shè)計(jì)提出了建議。 基于上述研究成果，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文8篇，取得發(fā)明專利1項(xiàng)，培養(yǎng)青年教師3人，培養(yǎng)研究生7人。研究成果對(duì)于構(gòu)建具有足夠承載力、延性、剛度、耗能能力等的鋼纖維混凝土聯(lián)肢剪力墻新型抗震結(jié)構(gòu)體系，提高整體建筑物的抗震能力，發(fā)展和完善纖維混凝土理論，具有重要的科學(xué)意義。 2100433B

采用試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，首先對(duì)鋼筋鋼纖維混凝土連梁在靜力和反復(fù)荷載作用下的受力性能進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，分析鋼纖維體積率、鋼纖維長徑比、鋼纖維混凝土強(qiáng)度等級(jí)和連梁跨高比等對(duì)連梁的抗裂性能、裂縫形態(tài)、破壞形態(tài)、承載力、剛度、延性、韌性、滯回性能、恢復(fù)力性能和耗能能力等的影響，進(jìn)行鋼纖維對(duì)鋼筋混凝土連梁受力性能的影響的綜合分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)鋼筋鋼纖維混凝土連梁和鋼筋混凝土剪力墻墻肢組成的多層聯(lián)肢剪力墻、鋼筋鋼纖維混凝土連梁和鋼筋鋼纖維混凝土剪力墻墻肢組成的多層鋼纖維混凝土聯(lián)肢剪力墻進(jìn)行反復(fù)荷載作用下剪力墻結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究，探討鋼筋鋼纖維混凝土連梁與鋼筋混凝土剪力墻墻肢，以及與鋼筋鋼纖維混凝土剪力墻墻肢的承載力、剛度、延性、耗能能力等的關(guān)系，進(jìn)一步分析鋼纖維對(duì)聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)承載能力和抗震性能的改善效果，提出具有合理破壞機(jī)制、受力性能優(yōu)異的聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算方法。

鑒于汶川地震中鋼筋混凝土聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)的小跨高比連梁剪切破壞較為普遍，本項(xiàng)目基于耗能減震控制技術(shù)提出一種新型混合聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用帶有屈曲約束構(gòu)件的鋼桁架連梁代替?zhèn)鹘y(tǒng)的小跨高比鋼筋混凝土連梁，通過鋼桁架連梁中屈曲約束構(gòu)件的滯回耗能來消耗結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量,減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。本項(xiàng)目擬采用模型試驗(yàn)和有限元方法研究該新型聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能，探討不同耦連比下結(jié)構(gòu)的耗能機(jī)理，建立結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型并進(jìn)行結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)分析。本項(xiàng)目預(yù)期將得到該結(jié)構(gòu)的主要抗震性能指標(biāo),揭示耦連比和結(jié)構(gòu)整體抗震性能之間的相互關(guān)系,提出該結(jié)構(gòu)的實(shí)用抗震設(shè)計(jì)與分析方法。本項(xiàng)目的研究成果將有利于解決聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)小跨高比連梁延性不足的問題，為推廣該結(jié)構(gòu)在高烈度地震區(qū)的應(yīng)用具有重要的理論和工程意義，并能為我國相關(guān)規(guī)范的編制提供科學(xué)參考依據(jù)。

通過高性能鋼纖維混凝土梁柱邊節(jié)點(diǎn)、中節(jié)點(diǎn)和板柱節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究和理論分析，探討鋼纖維對(duì)節(jié)點(diǎn)受剪性能和抗震性能的影響，分析鋼纖維摻入方式、鋼纖維體積率、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等因素對(duì)高性能鋼纖維混凝土節(jié)點(diǎn)抗裂性能、受剪承載力、延性和耗能能力等的增強(qiáng)和增韌效果，提出高性能鋼纖維混凝土進(jìn)入相鄰梁和柱、板和柱的適宜深度值、保證節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋不擁擠的適宜鋼纖維體積率以及高性能鋼纖維混凝土節(jié)點(diǎn)的截面限制條件，建立高性能鋼纖維混凝土節(jié)點(diǎn)受剪承載力的計(jì)算模型和設(shè)計(jì)方法以及恢復(fù)力計(jì)算模型和計(jì)算方法，為進(jìn)一步完善我國的纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程提供試驗(yàn)依據(jù)和理論支撐。本項(xiàng)目對(duì)完善和發(fā)展鋼纖維混凝土設(shè)計(jì)理論、推廣新材料在工程中的應(yīng)用具有較大的理論和實(shí)際意義。 2100433B

鑒于汶川地震中鋼筋混凝土聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)中大量的小跨高比鋼筋混凝土連梁出現(xiàn)了剪切脆性破壞，本項(xiàng)目通過3根屈曲約束鋼腹板桁架式連梁、2根屈曲約束鋼支撐桁架式連梁、7個(gè)鋼桁架連梁與鋼筋混凝土剪力墻連接節(jié)點(diǎn)、7根新型配筋小跨高比鋼筋混凝土連梁以及3根小跨高比鋼筋混凝土抗震加固連梁的大比例模型試驗(yàn)和有限元分析方法系統(tǒng)地研究了不同形式新型連梁的抗震性能以及普通配筋連梁的抗震加固方法，取得了如下研究成果：1）基于耗能減震原理提出了可拆卸式屈曲約束鋼腹板桁架式連梁和屈曲約束鋼支撐桁架式連梁，得到了腹板加勁肋、腹板開縫以及屈曲約束支撐形式等對(duì)連梁抗震性能的影響規(guī)律，建立了屈曲約束鋼腹板桁架式連梁的承載力計(jì)算條帶模型。2）研究了鋼桁架連梁和鋼筋混凝土剪力墻間角鋼預(yù)埋件連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能，得到了角鋼有效埋置深度、端板形式、預(yù)埋板厚度以及剪力墻的邊緣約束構(gòu)件對(duì)連接節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響規(guī)律，修正了我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB5011-2010）關(guān)于角鋼預(yù)埋件連接節(jié)點(diǎn)的承載力計(jì)算公式。3）基于拉壓桿理論模型提出了三種不同配筋形式的小跨高比鋼筋混凝土連梁，研究了不同配筋形式下小跨高比鋼筋混凝土連梁的抗震性能，得到了縱筋、箍筋、斜向鋼筋和預(yù)埋交叉鋼板等對(duì)連梁抗震性能的影響規(guī)律，建議了連梁的抗震承載力計(jì)算公式和抗震構(gòu)造措施。4）研究了CFRP布加固小跨高比普通配筋鋼筋混凝土連梁的抗震性能，分析了CFRP布不同加固方法的抗震加固效果，得到了CFRP壓條和自制CFRP錨筋對(duì)CFRP布抗剝離性能的影響規(guī)律，建議了連梁的合理抗震加固方法。本項(xiàng)目的上述研究成果有利于解決地震區(qū)小跨高比連梁抗震設(shè)計(jì)與抗震加固難題，能為相關(guān)工程設(shè)計(jì)和規(guī)范修訂提供試驗(yàn)依據(jù)。 2100433B