【博士】干砌摩擦型填充墙框架结构耗能减振研究

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内容简介

　　随着我国城镇化进程的加快，低层住宅结构得到广泛修建，如何经济性地提高此类房屋的抗震性能是关系到国计民生的问题。传统填充墙框架结构的耗能建立在承重构件(包括填充墙)的材料进入塑性阶段的基础上，结构整体耗能较差且填充墙对整体刚度具有明显增强作用。当前大多采用在墙体中添加其它材料或者附加阻尼器的措施提高结构的整体抗震性能，这类方法成本高昂，难以大面积推广应用且对结构受力性能影响较大。鉴于填充墙是框架结构的主要构件之一，如果能够在保证附加刚度小的前提下，提高该部分的耗能能力，无疑对结构抗震性能的提升具有重要意义。为实现该目标，本文完成如下几部分工作： (1) 提出了新型干砌填充墙框架结构并对其进行理论分析。综合框架结构的约束作用以及干砌填充墙的高延性、低刚度特性，将干砌填充墙看做结构的附加阻尼元件，将两构件进行组合，并对该组合结构受力机理进行分析，结合受力机理分别研究填充墙对于框架结构整体的抗侧能力以及耗能的贡献；接着利用理论分析的方法得到了整体结构的抗侧能力计算公式及等效粘滞阻尼比。结果表明，该结构受力机理与填充墙与框架之间接触状态密切相关，在填充墙与框架顶端接触之前，砌体内部仅由于自身重力产生压应力，结构摩擦力较小；在填充墙与框架顶部发生接触之后，砌体内部压应力增加，结构摩擦力也随之增大；同时，干砌填充墙抗侧力计算公式的提出，为该结构的设计及工程应用提供了理论基础。 (2) 对干砌砌体的轴压、剪压特性进行了理论分析并采用试验以及有限元仿真进行了验证。首先采用“串联弹簧”模型，得到了干砌砌体弹性模量计算方法，并进行参数分析；然后采用极限加载的方法，完成了3组干砌砌体轴压试验及36组剪压试验，并利用界面单元和平面应力单元建模开展了相应的有限元分析。结果表明：干砌填充墙的抗压强度远低于单砌块和有浆砌体的抗压强度且表现出明显的阶段性；干砌砌块的剪压作用符合摩尔-库仑摩擦；本文采用的有限元模型及选用的材料参数能够很好地模拟干砌砌体的力学性能。 　　(3) 设计框架反复加载试验，对比分析了不同填充形式对结构整体性能的影响。试验设计中考虑了实际结构中不可避免的填充墙与框架之间初始缝隙的影响，并采用现有规范关于框架结构弹性工作阶段的规定确定结构加载时程；　　- II - 　　对比分析了三种不同填充形式对应的单层单跨框架的层间荷载—位移滞回曲线。通过对滞回曲线结果进行分析整理，得到了框架结构滞回曲线的骨架曲线及刚度衰减情况；同时，通过分析滞回曲线，得到了总耗能、附加等效粘滞阻尼比等填充墙框架结构的耗能特性。通过试验对比分析得出，干砌填充墙不但对框架附加刚度小，而且在框架弹性工作阶段即能表现出良好的耗能能力。 (4) 基于干砌填充墙框架结构反复荷载试验进行了有限元建模分析，并完成填充墙的参数分析。利用有限元模型分析了该干砌填充墙框架结构在侧向加载作用下结构内力变化以及失效模式。利用该有限元模型展开填充墙不同参数的分析，得到的结果与理论公式吻合良好。研究结果表明：文中提出的初始缝隙单元能够有效地反映框架结构与填充墙之间逐渐接触的过程；干砌填充墙框架结构表现为良好的延性及充足的安全储备；填充墙内部摩擦系数、砌块密度以及墙体厚度与填充墙抗侧力有直接影响，且随取值增加而变大；砌块弹性模量也会影响到抗侧力水平，但变化并不敏感。 (5) 提出了干砌填充墙简化设计方法，将其等效为摩擦耗能元件并应用于结构整体模型分析。介绍了干砌填充墙数值模型的简化分析方法并进行算例分析；针对工程实际中某框架结构开展分析，分别采用干砌填充墙与传统有浆填充墙对框架进行填充，考察不同地震波形、结构不同层数以及填充墙不同布置方案对框架动力性能的影响。研究结果表明：干砌填充墙可以合理简化为摩擦型阻尼器，文中提出的建模策略及有限元模型可以有效地对无浆填充墙框架结构进行动力分析；与有浆填充墙对纯框架的刚度附加作用相比，干砌填充墙对纯框架结构几乎没有附加剪力及轴力的产生，且能表现出一定的耗能减振效果，表现出良好的工程应用价值；干砌填充墙布置方案对于结构减振效果具有显著影响，建议将其布置在层间位移较大的楼层。　　　　　　

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