论文题目：装配式摇摆剪力墙及其结构抗震减振性能研究
摘要：我国是地震灾害频发的国家,建构筑物结构和基础设施抗震防灾关乎人民生命财产安全、同时又始终是土木工程不断解决新的挑战和创新发展的重要课题。建筑结构预制装配化是我国建筑工业化、信息化乃至智能化的必由之路,其中装配式钢筋混凝土结构量大面广、结构体系创新与抗震性能提升是关键的科学技术问题。钢筋混凝土剪力墙是高层建筑结构的主要抗侧力体系,其预制装配构造连接与抗震性能成为制约装配式高层建筑结构发展的瓶颈。本文在充分研究和分析铰支摇摆剪力墙及其框架-剪力墙结构体系抗震减振性能基础上,提出一种装配式“干式连接”多层摇摆消能减振钢筋混凝土剪力墙,发展一类钢板消能减振元件（装置）与剪力墙一体化装配组合的结构体系,为提高结构预制装配效率、提升结构抗震乃至减振性能探索一条装配式高层建筑结构发展的有效途径。本文研究装配式摇摆剪力墙及其结构抗震减振性能。首先对于框架-铰支摇摆剪力墙结构,建立连续化参数的力学模型,提出结构的弹性地震响应计算以及抗震弹塑性设计的地震能量平衡方法,发展了一种结构顶部设计目标位移控制的阻尼器参数实用计算方法,动力弹塑性时程分析揭示了结构的失效模式和抗倒塌能力。其次,提出一种装配式“干式连接”多层摇摆消能减振钢筋混凝土剪力墙,试验分析剪力墙非线性滞回消能性能并建立数值计算模型,计算分析比较表明本文提出的装配式剪力墙抗侧力能力和滞回消能性能优于其它装配式或整体现浇式剪力墙。最后,发展一类装配式“干式连接”多层摇摆消能减振钢筋混凝土剪力墙为主要抗侧力体系的结构,如框架-剪力墙结构等,提出了相应结构抗震减振计算和抗震性能设计方法,并给出了设计实例。本文将铰支摇摆（整体）剪力墙发展为多层摇摆消能减振剪力墙,提出“干式连接”多层摇摆与钢板消能减振元件（装置）一体化的装配式钢筋混凝土剪力墙以及一类以此新型剪力墙为主要抗侧力体系的结构,建立相应剪力墙及其结构弹塑性计算模型、抗震分析和设计方法。主要研究内容和创新性研究成果如下:（1）建立了框架-铰支摇摆剪力墙结构弹性地震响应分析的连续化参数模型,发展了结构抗震弹塑性设计的地震能量平衡方法,提出了地震作用分配、阻尼器参数确定和构件强度需求计算的一体化设计方法。根据框架-铰支摇摆剪力墙结构中框架、铰支墙和阻尼器的协同工作机理,从连续化假设出发,建立类似地震等效作用的倒三角荷载作用下铰支墙的侧移控制微分方程,求解得到框架和铰支墙的弹性位移响应与剪力、弯矩分布,揭示阻尼器刚度对框架和铰支墙剪力、弯矩分布规律的影响;根据结构地震层间剪力分布特征,推导了框架和铰支墙的地震作用力分配关系;设定结构的设计目标位移和预期失效模式,采用框架-铰支摇摆剪力墙消能减振体系的地震能量平衡方程求解地震作用,再将地震作用分配至框架和铰支墙可实现构件强度需求设计。框架-铰支摇摆剪力墙结构的连续化参数模型解决了结构在地震作用下的弹性位移响应求解、构件内力计算和地震作用力分配问题,可作为结构初始设计阶段快速计算地震响应的有效工具。（2）针对框架-铰支摇摆剪力墙结构,提出了一种结构顶部设计目标位移控制的阻尼器参数实用计算方法,揭示了结构地震弹塑性响应特征和损伤演化规律。将框架-铰支摇摆剪力墙结构的顶点位移-基底剪力曲线转化为等效单自由度体系对应的能力谱,应用等价线性化方法确定结构达到顶部设计目标位移时的等效周期,结合等效周期和需求谱确定设计目标位移对应的等效粘滞阻尼比需求,由此计算和设计阻尼器参数。实例分析结果表明,该方法对于受基本振型控制的框架-铰支摇摆剪力墙结构的阻尼器参数设计具有较高的精度,步骤简单、便于工程上推广应用;定义阻尼器屈服、截面纵筋首次屈服（塑性铰出现）以及截面边缘混凝土压溃三种构件（装置）性能状态,采用动力时程分析方法分析结构地震弹塑性全过程响应下的损伤演化规律,分别从时间和空间维度跟踪标识各构件（装置）达到三种性能状态的先后顺序以及结构中塑性铰分布与发展程度,由此剖析结构失效路径与失效模式。分析结果表明,由于铰支墙对框架整体侧移变形的约束作用,框架-铰支摇摆剪力墙结构易于实现仅框架梁端出现塑性铰且层间变形均匀的“强柱弱梁”整体失效模式。（3）提出了一种“干式连接”多层摇摆与钢板消能减振元件（装置）一体化的装配式钢筋混凝土剪力墙,设计制作了三个足尺剪力墙模型、并进行了拟静力试验研究,揭示了本文提出剪力墙的良好滞回消能性能。面向装配式高层建筑结构的发展需要,提出一种装配式“干式连接”多层摇摆消能减振钢筋混凝土剪力墙。采用竖向预应力压接和高强螺栓紧固技术,将钢筋混凝土预制墙板单元和钢板消能减振元件（耗能钢板）一体化装配组合,形成地震作用下可围绕齿槽状拼接缝多层摇摆的装配式“干式连接”消能减振剪力墙抗侧力体系;提出了剪力墙拼接缝正截面抗弯承载力计算和设计方法;设计制作了三个足尺剪力墙模型进行循环往复加载试验研究,从剪力墙损伤分布发展特征、滞回消能性能和破坏模式等方面揭示了分层摇摆剪力墙的抗震减振性能。分析结果表明,往复加载过程中剪力墙整体表现出围绕拼接缝摇摆的侧向变形模式,墙面裂缝分布稀疏、损伤程度低,滞回曲线呈“弓”形,具有优良的抗侧力性能和耗能能力。将铰支整体摇摆剪力墙发展为多层摇摆消能减振剪力墙,为发展装配式高层建筑结构钢筋混凝土剪力墙抗侧力体系提供了一种有效途径。（4）提出了装配式“干式连接”多层摇摆消能减振剪力墙的精细化有限元模型和弥散接缝简化分析模型,对比分析本文提出的装配式剪力墙和其它几种装配式以及现浇整体式剪力墙的抗震减振性能,证实了本文提出装配式剪力墙更优越的抗侧力能力和滞回消能性能。采用实体单元建立装配式多层摇摆消能减振剪力墙的精细化数值计算模型,计算模型考虑了竖向预应力压接、螺栓预紧力施加、拼接缝接触以及钢预埋件传力等剪力墙局部力学特性。计算模拟与试验结果对比表明,精细化模型能较好地反映剪力墙的宏观滞回特性,准确模拟剪力墙的损伤发展过程,合理解释剪力墙试件的破坏模式。采用纤维与弹簧单元发展了装配式多层摇摆消能减振剪力墙的弥散接缝简化分析模型,该模型不考虑局部混凝土与钢筋材料的受拉作用,将接缝集中变形等效为弥散于墙段受拉侧的变形,较准确地模拟了剪力墙试件加载全过程的非线性行为,同时相比于精细化模型计算效率大幅度提高。在简化分析模型基础上,采用循环往复加载计算分析,对比研究了本文提出的装配式剪力墙与普通套筒灌浆连接装配式剪力墙、套筒灌浆连接预应力摇摆剪力墙以及现浇整体式剪力墙的抗震性能,分析结果表明本文提出的装配式剪力墙滞回消能性能优于其它装配式或整体现浇式剪力墙、抗侧力能力弱低于整体现浇式剪力墙。（5）发展了一类以装配式“干式连接”多层摇摆消能减振钢筋混凝土剪力墙为主要抗侧力体系的高层建筑结构,建立了相应三维空间结构的地震弹塑性数值计算模型,提出了结构抗震减振计算和抗震性能设计方法,并给出了设计实例。发展了装配式多层摇摆消能减振钢筋混凝土剪力墙结构抗震弹塑性设计的基于目标位移的计算分析与设计方法,该方法设定结构的设计目标位移和位移延性系数,建立不同延性系数对应等效单自由度体系的弹塑性位移反应谱,由此确定结构的等效周期和设计地震作用;然后,将地震作用分配至各剪力墙片,计算各分层剪力墙接缝的强度需求并设计截面。按照此方法设计了一栋12层实例结构,建立了相应三维空间结构的地震弹塑性计算模型,动力弹塑性时程分析结果表明,实例结构满足设计目标位移需求,结构在地震作用下各层位移逐层增大,实现了多层摇摆的侧向位移模式,验证了此类高层建筑结构优良的抗侧力能力和滞回消能减振性能。
关键词：框架-铰支摇摆剪力墙;连续化参数模型;多层摇摆消能剪力墙;装配式摇摆剪力墙结构;抗震减振性能
学科专业：工程力学
摘要
ABSTRACT
变量符号表
1 绪论
1.1 课题背景与研究意义
1.2 装配式剪力墙构造研究现状
1.2.1 装配式大板结构
1.2.2 后张无粘结预应力预制混凝土剪力墙
1.2.3 水平接缝强连接装配式剪力墙
1.2.4 叠合板式剪力墙
1.2.5 预制圆孔板剪力墙
1.2.6 装配式剪力墙研究存在问题
1.3 高性能受控摇摆结构研究现状
1.3.1 摇摆消能框架体系
1.3.2 竖向连续柱概念
1.3.3 基于强脊柱(Strong Spine)原理的受控支撑框架体系
1.3.4 摇摆剪力墙消能减振体系
1.3.5 高性能受控摇摆结构研究存在问题
1.4 本文主要研究内容
1.5 本文研究课题来源
2 框架-铰支摇摆剪力墙结构的连续化参数模型与地震能量平衡的弹塑性抗震设计
2.1 引言
2.2 框架-铰支摇摆剪力墙结构的连续化参数模型
2.2.1 基本假定
2.2.2 连续化参数模型
2.3 连续化参数模型的数值验证与适用性
2.3.1 模型的数值验证
2.3.2 模型的适用性评价
2.4 框架-铰支摇摆剪力墙结构的抗侧力性能参数分析
2.4.1 剪力分配
2.4.2 铰支摇摆剪力墙弯矩分布
2.4.3 框架与铰支摇摆剪力墙强度需求
2.5 框架-铰支摇摆剪力墙结构地震能量平衡的塑性设计方法
2.5.1 基本假定
2.5.2 消能减振体系的能量平衡方程
2.5.3 阻尼器附加等效基底剪力
2.5.4 地震能量平衡的塑性设计方法
2.5.5 极限状态下构件的强度设计
2.5.6 设计算例及验证
2.6 本章小结
3 框架-铰支摇摆剪力墙结构的阻尼器参数设计与结构失效模式分析
3.1 引言
3.2 框架-铰支摇摆剪力墙结构的阻尼器选型与设计
3.2.1 结构性能目标
3.2.2 阻尼器设计要求
3.2.3 阻尼器恢复力模型
3.3 基于结构顶层目标位移的阻尼器参数设计方法与实例验证
3.3.1 方法基本原理与步骤
3.3.2 实例验证与阻尼器减振效果评价
3.4 框架-铰支摇摆剪力墙结构的失效路径与失效模式分析
3.4.1 结构失效路径识别
3.4.2 结构损伤分布特征与失效模式分析
3.5 框架-铰支摇摆剪力墙结构抗倒塌能力分析与评价
3.5.1 地震倒塌易损性分析与结构倒塌安全储备
3.5.2 地震动选取与调幅
3.5.3 等效阻尼比计算
3.5.4 结构抗倒塌性能评价算例
3.6 本章小结
4 装配式预应力多层摇摆消能减振剪力墙及其拟静力试验研究
4.1 引言
4.2 装配式预应力多层摇摆消能减振剪力墙构造
4.2.1 钢板连接型预应力摇摆剪力墙(BCPRW)构造
4.2.2 套筒连接型预应力摇摆剪力墙(GSCPRW)构造
4.3 试件设计与制作
4.3.1 BCPRW的侧向变形特征
4.3.2 试件设计
4.3.3 承载力计算
4.3.4 连接钢板设计
4.3.5 内嵌钢板设计
4.3.6 接缝端板与内嵌盖板设计
4.3.7 高强螺栓设计
4.3.8 截面抗剪验算
4.3.9 试件制作
4.4 材性试验与加载、测量方案
4.4.1 材性试验与力传感器标定
4.4.2 加载装置与加载制度
4.4.3 测量方案
4.5 试件破坏形态分析
4.5.1 试件BCPRW-1
4.5.2 试件BCPRW-2
4.5.3 试件GSCPRW
4.6 试验数据与结果分析
4.6.1 滞回性能
4.6.2 特征点分析
4.6.3 耗能能力
4.6.4 刚度退化
4.6.5 残余位移
4.6.6 预应力变化规律
4.6.7 侧向变形模式分析
4.6.8 中性轴位置变化
4.6.9 剪力墙接缝剪切滑移
4.6.10 钢筋应变分析
4.7 本章小结
5 装配式预应力多层摇摆消能减振剪力墙抗震性能分析与评价
5.1 引言
5.2 BCPRW试件的精细化有限元模型
5.2.1 材料本构模型
5.2.2 单元选择与网格划分
5.2.3 约束与接触关系
5.2.4 荷载与分析步定义
5.2.5 精细化有限元模型
5.3 精细化有限元模型的试验验证
5.3.1 单调加载分析
5.3.2 循环往复加载分析
5.3.3 钢绞线预应力分析
5.3.4 墙板损伤与破坏形态
5.3.5 钢预埋件及螺栓应力分析
5.4 BCPRW参数影响的精细化有限元分析
5.4.1 轴压比影响
5.4.2 螺栓预紧力影响
5.4.3 剪跨比影响
5.4.4 摩擦系数影响
5.5 装配式预应力多层摇摆消能减振剪力墙抗震性能对比分析
5.5.1 基于纤维单元的BCPRW简化分析模型
5.5.2 基于纤维单元的GSCPRW简化分析模型
5.5.3 BCPRW抗震性能对比分析与评价
5.6 本章小结
6 装配式预应力多层摇摆消能减振剪力墙结构及其抗震减振性能分析与设计
6.1 引言
6.2 装配式预应力多层摇摆消能减振剪力墙(核心筒)结构的抗震概念设计
6.2.1 装配式预应力多层摇摆消能减振剪力墙结构
6.2.2 装配式预应力多层摇摆消能核心筒结构
6.3 直接基于位移的装配式预应力多层摇摆消能减振剪力墙结构抗震设计
6.3.1 直接基于位移的抗震设计方法
6.3.2 BCPRW构件截面设计与承载力计算
6.4 装配式预应力多层摇摆剪力墙结构抗震减振设计与性能评价实例
6.4.1 结构及其抗震设计
6.4.2 设计结果验证与结构性能评价
6.5 本章小结
7 结论与展望
7.1 结论
7.2 创新点
7.3 展望
参考文献
致谢