【博士】干砌摩擦型填充墻框架結(jié)構(gòu)耗能減振研究

內(nèi)容簡介

　　隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，低層住宅結(jié)構(gòu)得到廣泛修建，如何經(jīng)濟(jì)性地提高此類房屋的抗震性能是關(guān)系到國計民生的問題。傳統(tǒng)填充墻框架結(jié)構(gòu)的耗能建立在承重構(gòu)件(包括填充墻)的材料進(jìn)入塑性階段的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)整體耗能較差且填充墻對整體剛度具有明顯增強作用。當(dāng)前大多采用在墻體中添加其它材料或者附加阻尼器的措施提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，這類方法成本高昂，難以大面積推廣應(yīng)用且對結(jié)構(gòu)受力性能影響較大。鑒于填充墻是框架結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件之一，如果能夠在保證附加剛度小的前提下，提高該部分的耗能能力，無疑對結(jié)構(gòu)抗震性能的提升具有重要意義。為實現(xiàn)該目標(biāo)，本文完成如下幾部分工作： (1) 提出了新型干砌填充墻框架結(jié)構(gòu)并對其進(jìn)行理論分析。綜合框架結(jié)構(gòu)的約束作用以及干砌填充墻的高延性、低剛度特性，將干砌填充墻看做結(jié)構(gòu)的附加阻尼元件，將兩構(gòu)件進(jìn)行組合，并對該組合結(jié)構(gòu)受力機理進(jìn)行分析，結(jié)合受力機理分別研究填充墻對于框架結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)能力以及耗能的貢獻(xiàn)；接著利用理論分析的方法得到了整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力計算公式及等效粘滯阻尼比。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)受力機理與填充墻與框架之間接觸狀態(tài)密切相關(guān)，在填充墻與框架頂端接觸之前，砌體內(nèi)部僅由于自身重力產(chǎn)生壓應(yīng)力，結(jié)構(gòu)摩擦力較小；在填充墻與框架頂部發(fā)生接觸之后，砌體內(nèi)部壓應(yīng)力增加，結(jié)構(gòu)摩擦力也隨之增大；同時，干砌填充墻抗側(cè)力計算公式的提出，為該結(jié)構(gòu)的設(shè)計及工程應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。 (2) 對干砌砌體的軸壓、剪壓特性進(jìn)行了理論分析并采用試驗以及有限元仿真進(jìn)行了驗證。首先采用“串聯(lián)彈簧”模型，得到了干砌砌體彈性模量計算方法，并進(jìn)行參數(shù)分析；然后采用極限加載的方法，完成了3組干砌砌體軸壓試驗及36組剪壓試驗，并利用界面單元和平面應(yīng)力單元建模開展了相應(yīng)的有限元分析。結(jié)果表明：干砌填充墻的抗壓強度遠(yuǎn)低于單砌塊和有漿砌體的抗壓強度且表現(xiàn)出明顯的階段性；干砌砌塊的剪壓作用符合摩爾-庫侖摩擦；本文采用的有限元模型及選用的材料參數(shù)能夠很好地模擬干砌砌體的力學(xué)性能。　　(3) 設(shè)計框架反復(fù)加載試驗，對比分析了不同填充形式對結(jié)構(gòu)整體性能的影響。試驗設(shè)計中考慮了實際結(jié)構(gòu)中不可避免的填充墻與框架之間初始縫隙的影響，并采用現(xiàn)有規(guī)范關(guān)于框架結(jié)構(gòu)彈性工作階段的規(guī)定確定結(jié)構(gòu)加載時程；　　- II - 　　對比分析了三種不同填充形式對應(yīng)的單層單跨框架的層間荷載—位移滯回曲線。通過對滯回曲線結(jié)果進(jìn)行分析整理，得到了框架結(jié)構(gòu)滯回曲線的骨架曲線及剛度衰減情況；同時，通過分析滯回曲線，得到了總耗能、附加等效粘滯阻尼比等填充墻框架結(jié)構(gòu)的耗能特性。通過試驗對比分析得出，干砌填充墻不但對框架附加剛度小，而且在框架彈性工作階段即能表現(xiàn)出良好的耗能能力。 (4) 基于干砌填充墻框架結(jié)構(gòu)反復(fù)荷載試驗進(jìn)行了有限元建模分析，并完成填充墻的參數(shù)分析。利用有限元模型分析了該干砌填充墻框架結(jié)構(gòu)在側(cè)向加載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化以及失效模式。利用該有限元模型展開填充墻不同參數(shù)的分析，得到的結(jié)果與理論公式吻合良好。研究結(jié)果表明：文中提出的初始縫隙單元能夠有效地反映框架結(jié)構(gòu)與填充墻之間逐漸接觸的過程；干砌填充墻框架結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為良好的延性及充足的安全儲備；填充墻內(nèi)部摩擦系數(shù)、砌塊密度以及墻體厚度與填充墻抗側(cè)力有直接影響，且隨取值增加而變大；砌塊彈性模量也會影響到抗側(cè)力水平，但變化并不敏感。 (5) 提出了干砌填充墻簡化設(shè)計方法，將其等效為摩擦耗能元件并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)整體模型分析。介紹了干砌填充墻數(shù)值模型的簡化分析方法并進(jìn)行算例分析；針對工程實際中某框架結(jié)構(gòu)開展分析，分別采用干砌填充墻與傳統(tǒng)有漿填充墻對框架進(jìn)行填充，考察不同地震波形、結(jié)構(gòu)不同層數(shù)以及填充墻不同布置方案對框架動力性能的影響。研究結(jié)果表明：干砌填充墻可以合理簡化為摩擦型阻尼器，文中提出的建模策略及有限元模型可以有效地對無漿填充墻框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力分析；與有漿填充墻對純框架的剛度附加作用相比，干砌填充墻對純框架結(jié)構(gòu)幾乎沒有附加剪力及軸力的產(chǎn)生，且能表現(xiàn)出一定的耗能減振效果，表現(xiàn)出良好的工程應(yīng)用價值；干砌填充墻布置方案對于結(jié)構(gòu)減振效果具有顯著影響，建議將其布置在層間位移較大的樓層?！　　　　　?

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