钢板耗能墙控力防屈曲支撑新型抗侧力结构的抗震性能和设计方法研究

Based on the mechanics characters, virtues and defects existing in traditional steel plate shear walls and steel braces, a new lateral force resisting structure named steel plate wall load-restrained brace (SPWLB) is proposed in this program. This new structure is composed of steel plate energy-dissipation wall, bracing bar and major frame. The wall is able to restrain the maximum axial load acting on the compression bar and the high ductility of steel plate can provide sufficient deformation space for bracing bars, so as an important result, the brace buckling can be avoided. This program aims to study the mechanical mechanism, seismic behavior and design approach of SPWLB and theoretical analysis, pseudo-static rest and finite element method will be used in the research. Specifically, this study will first focus on obtaining important seismic indicators, such as lateral stiffness, stiffness degeneration, ductility factor and carrying capacity, and then, the influence of a series of parameters, including wall area ratio, aspect ratio, frame stiffness, on the seismic behavior of SPWLB will be addressed. After proposing simplified model, presenting detail measures, and obtaining formulas for lateral stiffness and carrying capacity, the performance-based design approach for SPWLB will be finally set up.

基于钢板剪力墙结构和支撑结构的力学特点、优势及缺陷，本项目提出了钢板耗能墙控力防屈曲支撑这一新型结构，该结构由钢板耗能墙、撑杆和周边钢框架三部分组成，钢板耗能墙通过撑杆与周边钢框架的梁柱节点连接形成抗侧力结构。在水平荷载作用下，钢板耗能墙可控制撑杆的最大轴压力，并利用高延性给撑杆提供足够的变形空间从而达到防止屈曲的效果。本项目拟采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的手段对钢板耗能墙控力防屈曲支撑结构的受力机理、抗震性能和设计方法进行深入研究，得到结构的抗侧刚度、刚度退化规律、耗能机制、滞回性能、延性、极限承载力等一系列重要指标，明确墙板屈曲特性、钢板墙面积比、结构宽高比、周边框架刚度等重要参数对结构抗震性能的影响。提出结构的简化计算模型，给出合理的抗震构造措施，得到抗侧刚度和极限承载力的计算公式，划分性能水准，并最终建立该结构基于性能的抗震设计方法。

本课题对钢板耗能墙控力防屈曲支撑的力学性能和设计方法以及所涉及的关键科学问题进行了理论和试验研究。新型结构中的钢板墙是关键的耗能构件，需要利用其屈曲后的性能，但经典拉力场理论由于忽略了墙板屈曲后受压性能的影响，仅对板无限薄的理想情况是准确的，对于实际有一定厚度的板用该理论计算会普遍低估剪切板的刚度和承载力并高估板的屈服位移，板越厚误差越大。为此本课题首先对剪切板的屈曲后力学性能开展了理论研究，提出了非完全拉力场理论，基于该理论对剪切板的屈曲后应状态全过程进行了定量描述，并得到了精确的剪切板刚度、承载力和屈服位移的计算公式，同时提出了精确且适用于任意厚度的剪切板和防屈曲板的通用拉杆模型。随后设计并完成了钢板墙的拟静力试验，考察了钢板墙在循环往复荷载下的屈曲后弹塑性应力演化过程和损伤发展机理，对所提出的非完全拉力场理论进行了验证。其次对阶形柱的稳定性进行了深入的理论研究，提出了无侧移阶形柱稳定性以及考虑柱间相互作用阶形柱稳定性的计算分析方法，得到了计算长度系数以及二阶效应的方法，构建了稳定校核的相关公式，解决了新型结构中“Y”形变截面支撑的稳定计算问题，同时也可用于工业厂房中阶形柱的稳定设计。最后对钢板耗能墙控力防屈曲支撑的抗震性能进行了研究，全面考察了新型结构的力学机理、破坏模式和耗能能力，重点研究了耗能墙板、内框和撑杆各部分之间的内力转化机制以及刚度配比对结构抗震性能的影响，结合理论研究的相关成果初步建立了钢板耗能墙控力防屈曲支撑的设计方法。