【博士】干砌摩擦型填充墻框架結構耗能減振研究

內容簡介

　　隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，低層住宅結構得到廣泛修建，如何經濟性地提高此類房屋的抗震性能是關系到國計民生的問題。傳統(tǒng)填充墻框架結構的耗能建立在承重構件(包括填充墻)的材料進入塑性階段的基礎上，結構整體耗能較差且填充墻對整體剛度具有明顯增強作用。當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構的整體抗震性能，這類方法成本高昂，難以大面積推廣應用且對結構受力性能影響較大。鑒于填充墻是框架結構的主要構件之一，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，無疑對結構抗震性能的提升具有重要意義。為實現(xiàn)該目標，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構并對其進行理論分析。綜合框架結構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構的附加阻尼元件，將兩構件進行組合，并對該組合結構受力機理進行分析，結合受力機理分別研究填充墻對于框架結構整體的抗側能力以及耗能的貢獻；接著利用理論分析的方法得到了整體結構的抗側能力計算公式及等效粘滯阻尼比。結果表明，該結構受力機理與填充墻與框架之間接觸狀態(tài)密切相關，在填充墻與框架頂端接觸之前，砌體內部僅由于自身重力產生壓應力，結構摩擦力較??；在填充墻與框架頂部發(fā)生接觸之后，砌體內部壓應力增加，結構摩擦力也隨之增大；同時，干砌填充墻抗側力計算公式的提出，為該結構的設計及工程應用提供了理論基礎。 (2) 對干砌砌體的軸壓、剪壓特性進行了理論分析并采用試驗以及有限元仿真進行了驗證。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力單元建模開展了相應的有限元分析。結果表明：干砌填充墻的抗壓強度遠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性能。　　(3) 設計框架反復加載試驗，對比分析了不同填充形式對結構整體性能的影響。試驗設計中考慮了實際結構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)范關于框架結構彈性工作階段的規(guī)定確定結構加載時程；　　- II - 　　對比分析了三種不同填充形式對應的單層單跨框架的層間荷載—位移滯回曲線。通過對滯回曲線結果進行分析整理，得到了框架結構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構的耗能特性。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構反復荷載試驗進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構在側向加載作用下結構內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，得到的結果與理論公式吻合良好。研究結果表明：文中提出的初始縫隙單元能夠有效地反映框架結構與填充墻之間逐漸接觸的過程；干砌填充墻框架結構表現(xiàn)為良好的延性及充足的安全儲備；填充墻內部摩擦系數(shù)、砌塊密度以及墻體厚度與填充墻抗側力有直接影響，且隨取值增加而變大；砌塊彈性模量也會影響到抗側力水平，但變化并不敏感。 (5) 提出了干砌填充墻簡化設計方法，將其等效為摩擦耗能元件并應用于結構整體模型分析。介紹了干砌填充墻數(shù)值模型的簡化分析方法并進行算例分析；針對工程實際中某框架結構開展分析，分別采用干砌填充墻與傳統(tǒng)有漿填充墻對框架進行填充，考察不同地震波形、結構不同層數(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構進行動力分析；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構幾乎沒有附加剪力及軸力的產生，且能表現(xiàn)出一定的耗能減振效果，表現(xiàn)出良好的工程應用價值；干砌填充墻布置方案對于結構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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