[摘要] 第一章 绪论1 1 课题背景和意义地震是一种破坏性很大的自然
第一章 绪论
1.1 课题背景和意义
地震是一种破坏性很大的自然灾害，特别是一些震级比较大的地震，不仅会造成大量的人员伤亡和巨大的经济损失，而且会对建筑物产生非常大的破坏作用。而震后大量受力构件的塑性变形，使建筑物的修复在经济上成为不可能的事情。我国现行的《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）【1】明确提出了三个水准的抗震设防要求和两阶段的设计方法。第一阶段的设计，能保证第一水准的强度要求，而第二阶段的设计，能确保结构满足第三水准的抗震设防要求，但是如何保证第二水准的抗震设防要求即“中震可修”，缺少具体的做法。现在有一些专家提出了自复位结构体系的概念，有利于解决上述问题。在低周往复循环荷载作用下，理想自复位结构体系的滞回曲线如图 1.1 所示，曲线形状呈现“双旗帜型”。其与一般弹塑性体系最大的区别是在每次荷载卸载到零时，结构会回到初始状态，残余位移为零，梁柱等主要受力构件保持为弹性。可以在该体系中设置一些特殊构件使其在地震作用下起到耗能作用，在震后只需替换这些耗能构件，就能使建筑物继续正常使用。所以说，自复位结构体系是解决建筑物“中震可修”的一种切实可行的方法。 钢板剪力墙结构是最近几十年发展起来的一种新型的抗侧力结构体系。在美国和日本等一些地震比较多发的国家，钢板剪力墙已经作为一种主要抗侧力构件应用于实际建筑物上。钢板剪力墙结构体系与传统的结构体系相比具有显着的优势，包括较大的弹性初始刚度和耗能能力、良好的塑性性能和变形能力、稳定的滞回性能等。这种结构体系由梁柱基本框架和内嵌钢板构成，其中框架梁作为水平边界构件，主要承受弯矩作用，框架柱作为竖向边界构件，主要用来承受竖向重力荷载，钢板则作为抗侧力构件和耗能构件。鉴于自复位结构体系的回复能力优点和钢板剪力墙抗侧力高和耗能能力大的优点，用钢板剪力墙耗能的自复位结构体系应运而生。
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1.2 自复位节点和钢板剪力墙的研究现状
潘振华，潘鹏【2】对利用角钢耗能的自复位结构体系节点的受力情况进行分析与总结：自复位节点构造如图 1.2 所示。这类节点的梁上下翼缘通过角钢与柱翼缘栓接，高强预应力钢绞线沿梁长通长布置，对钢绞线施加初始预应力将梁柱压紧，当结构受力产生侧移时，梁柱节点会脱开如图 1.3，预应力钢绞线会相应的发生伸长变形，震后在钢绞线回复力作用下，梁柱间的缝隙会被消除，从而使结构恢复到无侧移状态。因为在震中梁柱节点会脱开，所以梁柱构件一直保持在弹性状态而不会被破坏。震后只需替换破坏的耗能角钢就能使结构继续使用。研究表明，自复位钢结构体系具有有效性和工程可行性。文献[3]对自复位节点和传统的焊接节点做了精细的有限元模型分析，将 9 个足尺模型分为三类节点，A 类节点：具有耗能能力和自复位的新型节点；B 类节点：安装角钢但并没有安装预应力钢筋的栓接节点；C 类节点：安装角钢但未安装预应力钢筋的焊接节点。加载控制以梁端位移作为控制参数，分级施加往复水平力，最终相对位移角目标为 5%。分析表明：①角钢的厚度对梁柱脱开时所需的水平推力基本没有影响，但影响节点的耗能能力，在实际工程中可以改变角钢厚度来控制节点的耗能；②增加初始预拉力大小可以增加结构的自复位能力，并提高结构的初始刚度与最大承载力。但是初始预应力值也不能太大，否则可能在节点还未达到设计变形之前梁柱已经进入塑性。初始预应力值也不能太小，否则节点得不到完全的自复位能力，③通过A、B 类节点的对比可以得到，预应力钢绞线不仅为节点提供了自复位能力，而且显着提高了节点的强度和刚度。④通过 A、C 类节点的对比可以得到，当水平力较小时力与位移呈线性关系，随着水平力的增加，梁与柱接触处发生脱开现象，此时结构刚度主要由钢绞线和角钢提供，随着水平力进一步增加，角钢会逐渐屈服，刚度不断减小，到角钢完全屈服时，节点脱开后的刚度则完全由预应力钢绞线提供。 
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第二章 蝴蝶形钢板墙-自复位结构体系的模拟与验证
蝴蝶形钢板墙-自复位结构体系比较复杂，试验时试件加工较难，费用较高，而且试验研究不能覆盖很多参数，故先采用有限元模拟来研究该体系，本文采用 ANSYS大型通用有限元软件对该体系进行模拟分析，进而找出影响结构性能的主要参数，为以后的试验研究提供参考。本章用 ANSYS 模拟相关试验，并且将模拟结果与试验结果进行对比分析，以此来验证模拟方法的正确性。 目前对以开缝钢板剪力墙作为耗能元件的自复位结构体系的研究基本上还处于模拟阶段，而且大多为底层单层单跨的结构，这样就必然受到底层节点约束的影响，所以本文重点考虑中间层的性能，以及具体影响参数，得出一般层的性能，为以后具体的试验提供指导作用，使该结构体系早日用到实际建筑中去。而本章会对自复位框架和钢板剪力墙两个具体试验进行模拟验证，以确定软件选择和模拟方法的正确性。
2.1 有限元软件的选择
用钢板剪力墙耗能的自复位结构体系的内填钢板一般使用薄板，利用钢板屈曲后强度，这样薄板的面外变形会相对较大，甚至可能会大于面内侧移，导致其变形与位移的非线性，在钢板发生较大侧移后，会导致结构整体的 P-Δ 效应，这样将导致整个结构体系的几何非线性。该结构体系要利用内填钢板屈曲后强度，钢板会进入弹塑性阶段，应力应变曲线不再服从胡克定律，即存在材料非线性。在 ANSYS 中，使用增量理论来模拟材料的应力应变关系，采用 Von Mises 屈服准则，它可以非常清楚的看出某一结果在整个模型中的变化，从而可以快速准确的确定模型中的最危险区域。用随动强化准则能较好的模拟包辛格效应，所以本文采用 Von Mises 屈服准则中的随动强化准则来考虑材料的非线性。综上，本文选用 ANSYS 软件对该结构体系进行模拟分析。
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2.2 有限元模型的建立
利用钢板剪力墙耗能的自复位结构体系的梁、柱、钢板是三维实体，特别是内填钢板一般是薄钢板，有相对较大的面外变形，应该用实体单元进行建模，但用实体单元建模划分网格太多，计算量太大，而且容易不收敛，因此本文用壳单元代替实体单元进行建模。Shell181 单元有四节点，每个节点有六个自由度，沿 X、Y、Z 方向的平动和绕X、Y、Z 轴的转动， 壳单元相对于实体单元更容易收敛，而且计算精度相差不大。同时 Shell181 单元有利于薄板及中厚板的几何非线性和材料非线性的模拟，所以本文的梁柱和内填钢板采用 Shell181 建模。 钢绞线采用 Link10 单元，该单元是 3D 仅受拉或仅受压杆，该单元有 2 个节点数，每个节点有三个自由度，沿 X、Y、Z 方向的平动，当使用受拉选项时，如若受压，则刚度完全消失，适合模拟钢绞线。 本文中的材料主要有钢材和钢绞线，钢材有Q235B和Q345B两种钢，其中Q345B用于框架梁柱，Q235B 用于内填钢板，弹性模量 E=2.06x105 MPa，屈服强度 Fy分别是 345 N/mm2以及 235 N/mm2，泊松比为 0.3。本文中梁、柱、内填钢板所用的钢材采用 Von Mises 屈服准则，其应力-应变关系曲线可简化为平缓的斜直线，取其硬化段折线斜率为弹性斜率的 2%。预应力钢绞线所用的钢材采用《预应力混凝土用钢铰线》（GB/T 5224-2003）[36]提供的参数值，即 E = 1.95 ×105MPa。
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第三章 蝴蝶形钢板墙-自复位结构体系理论研究.......18
3.1 蝴蝶形钢板墙的理论分析.........18
3.2 无耗能器自复位钢框架的理论分析........24
3.3 蝴蝶形钢板墙-自复位结构体系性能......26
3.4 蝴蝶形钢板墙-自复位结构体系设计流程......28
3.5 本章小结......28
第四章 蝴蝶形钢板墙-自复位结构体系的 Base 试件有限元分析......30
4.1 选取设计试件......30
4.2 蝴蝶形钢板墙-自复位结构体系 Base 模型的确定......30
4.3 Base 试件有限元分析........38
4.3.1 Base 试件材料性能的选取....38
4.3.2 Base 试件模型建立.........38
4.3.3 Base 试件的有限元计算结果分析........40
4.4 本章总结......47
第五章 有限元试件模拟及参数分析..........48
5.1 各组试件参数设计.....48
5.2 有限元模拟结果与分析....49
5.3 本章总结.......57
第五章 有限元试件模拟及参数分析
本章将在 Base 试件的基础上，设计四组试件，以便深入的研究蝴蝶形钢板墙-自复位结构体系的复位能力、承载力和耗能能力。四组试件分别为：第一组 PT 试件，主要分析钢绞线不同的初始预拉力值对结构性能的影响；第二组 BT 试件，主要分析不同的钢板墙厚度对结构性能的影响；第三组 PA 试件，分析不同的钢绞线面积对结构性能的影响；第四组 Wb 试件，分析不同的蝴蝶形短柱尺寸对结构性能的影响。
5.1 各组试件参数设计
5.1.1 PT 系列试件
在自复位结构体系的钢绞线设计中，钢绞线的初始预拉力的大小是根据框架梁柱节点的脱开弯矩计算的，没有考虑初始预拉力的不同对结构体系自复位性能的影响。本节设计 PT 系列试件就是比较初始预拉力的不同对结构体系的自复位性能、延性、耗能能力和结构承载力的影响。选取 PT1 试件初始预拉力为 120kN，为 Base 试件初始预拉力的 0.6 倍，PT2 试件的初始预拉力为 280kN，为 Base 试件初始预拉力的 1.4倍，钢绞线的面积和其余参数与 Base 试件相同，具体见表 5.1。 BT 试件是研究不同的钢板墙厚度对整体结构的自复位性能、延性、耗能能力以及结构承载能力的影响。钢板墙作为结构主要的耗能构件，对整体结构的耗能能力起着决定性的作用。设计 BT1 试件内填蝴蝶形钢板厚度为 6mm，BT2 试件内填钢板厚度为 14mm，Base 试件钢板墙厚度为 10mm，其他参数相同，分析不同的钢板墙厚度对结构主要性能的影响。
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结论
1）提出了钢板剪力墙-自复位结构体系的设计性能目标以及相对应的设计方法。
2）选取了一上下各带半层柱的蝴蝶形钢板墙-两层自复位钢框架模型(Base 试件)，对模型进行了有限元模拟分析，结果表明：Base 试件复位能力良好，满足自复位结构残余变形的要求，延性较好，在 3%的层间位移角的情况下，框架梁柱和预应力钢绞线处于弹性状态，蝴蝶形钢板墙会进入塑性阶段进行耗能，满足自复位体系的设计目标。
3）蝴蝶形钢板墙-自复位结构体系在循环往复荷载作用下的滞回曲线呈现“双旗帜”型，残余层间位移角很小，而且此种结构体系有非常好的延性，在罕遇地震作用下，Base 试件层间位移角可以达到 3%，各系列试件加载的层间位移角都超过了 2%。
4）钢绞线的初始预拉力对结构的初始刚度几乎没有影响，对耗能能力的影响也不显着，但会影响梁柱节点的脱开弯矩值以及节点脱开时的承载力。同时，随着初始预拉力的增加，结构的复位能力会变强，但初始预拉力不能太大，这样造成梁柱节点不能够适时的张开，脱开弯矩变大，钢板墙的耗能能力不能充分被利用。
5）蝴蝶形钢板墙的厚度对自复位结构体系的性能有很大的影响。钢板墙的厚度变大，结构的初始刚度、承载力和耗能能力会增加，但结构的复位效果会变差，钢板剪力墙厚度不能太小，不然钢板墙整体面外变形和蝴蝶形短柱柱状部变形会过大而造成不能正常使用，所以要选择合适的钢板墙厚度，优先满足结构体系的复位能力。
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参考文献(略)
