半刚性框架—防屈曲剪力墙结构新体系理论与试验研究

防屈曲钢板剪力墙具有耗能性能更好、滞回性能更稳定、墙板对边框不利影响小的特点。申请者在国家基金《半刚性框架-钢板剪力墙新型结构体系理论与试验研究》研究的基础上提出半刚性框架-防屈曲剪力墙结构体系，针对以低屈服点钢材、普通钢材和铝合金作为内嵌板的防屈曲剪力墙配合双腹板角钢连接、平齐端板连接和无加劲肋栓焊连接三种连接形式的半刚性框架构建的结构进行抗震性能试验研究。全面分析半刚性框架与防屈曲剪力墙共同工作时的内力转换机制和耗能机理，分析节点、框架和墙体的相互影响过程，得到骨架曲线模型和实用的恢复力模型，综合对比半刚性节点刚度以及内嵌金属板屈服强度对结构性能的影响，从而提出此类结构的抗震设计方法。本研究将进一步推动钢结构设计方法的变革和新型抗侧力结构体系的推广应用。

在“半刚性框架-钢板剪力墙结构抗震性能”课题取得的研究成果基础上，本项目首次提出了半刚性框架-防屈曲剪力墙新型抗侧力结构体系，通过一种创新性的密肋框格构造有效改善了剪力墙板的受力特性，确保内填墙板实现“先屈服、后屈曲”的防屈曲目标，对其进行了系统的地震作用下的试验研究和理论分析。首先建立起该新型结构的有限元模型，对采用顶底腹板四角钢连接和无内隔板焊接连接的半刚性节点钢框架-密肋框格防屈曲剪力墙结构进行滞回性能分析，重点剖析半刚性框架与防屈曲剪力墙协同工作时的内力转换机制和耗能机理，深入探究半刚性节点、外框架和内填墙板的相互影响过程。其次在有限元分析的基础上对结构进行了低周往复荷载作用下的拟静力试验，全面考察其抗震性能指标、滞回特性、受力机制和破坏机理。研究结果表明，该结构具有稳定的承载力与良好的塑性变形能力，滞回曲线饱满稳定，有效避免了无加劲薄钢板剪力墙滞回环中典型的“捏缩”现象。密肋框格作为一种新型的防屈曲构件，能够有效降低内填墙板对外框架柱的附加作用，显著提高结构的初始弹性刚度和耗能性能。其构造合理，制作方便，易于安装拆卸，且相比于混凝土盖板重量大为减轻，是一种优良的防屈曲构造措施。试件的受力机制合理有效，其屈服、破坏顺序为内填墙板面内受剪屈服、区格屈曲直至撕裂，边缘构件进入屈服并最终在框架梁端与柱脚形成塑性铰。结构的破坏机理符合“强框架、弱墙板”、“强柱弱梁”的设计理念。防屈曲剪力墙板与周边框架强度、刚度匹配，协同作用良好，形成了有效的两道设防防线，结构整体抗震性能优良。然后依据拟静力试验和理论分析结果，综合考虑半刚性节点刚度以及内填墙板屈服强度的影响，获得了最优外框架与内填墙板组合形式，构建了半刚性框架-防屈曲剪力墙空间结构，进行振动台试验研究，记录半刚性框架-防屈曲剪力墙结构在地震作用下的真实反应，考察结构在弹性和弹塑性阶段的动力特性，进一步探究其延性、破坏机理及抗震性能。而后基于试验结果，建立精细化的数值分析模型，分析内填墙板厚度、密肋框格尺寸和框格板条刚度对结构抗震性能的影响；采用Pushover分析对比验证了结构的简化计算模型。最后通过理论分析，给出了防屈曲密肋框格的合理构造措施，提出了钢板剪力墙结构基于性能的抗震设计方法。本研究将进一步推动钢结构设计方法的变革和钢板剪力墙结构在民用建筑中的推广应用。