钢框架-新型预制R/ECC剪力墙抗侧力体系受力机理与抗震设计方法

The prefabricated reinforced/engineered cementitious composite(R/ECC) structural walls are used as lateral resistant component because the PVA-ECC materials possess super high tenacity and tensile strain-hardening performance. The novel lateral resistant system of steel frame-prefabricated R/ECC composites infill walls is build up which has following advantages, such as superior energy dissipation ability, high durable damage, short construction cycle and convenient for replacement after disaster. Based on the experimental results and theoretical analysis, the connected design rule of steel frame and prefabricated R/ECC structural wall is provided and the key parameters and regular pattern of its mechanical behavior has been explored. The mechanism of collaborative working of steel frame and R/ECC structural wall is established. According to the internal force distribution and stiffness coordinate, the amount of PVA fibers and re-bars can be obtained. Then, the mechanical response of steel frame-prefabricated R/ECC structural wall under different seismic performance levels was researched. Finally, the strength calculation method, limit state of different seismic performance levels, failure parameters criterion and deformation limited values of this structural system are established and those means can provide reference for the engineering seismic design.

本项目利用PVA-ECC材料所具有的超高韧性和超强的受拉应变-硬化性能，采用预制R/ECC剪力墙板作为钢框架结构的抗侧力构件，构建耗能能力强、耐损伤能力高、施工周期短，便于灾后修复、更换的钢框架-新型预制R/ECC剪力墙抗侧力体系。通过试验研究和理论分析，探究影响其力学性能的关键参数及规律，提出钢框架与预制R/ECC剪力墙连接方法及设计准则；建立钢框架-预制R/ECC剪力墙协同工作机理，研究二者之间刚度协调与内力分配关系，提出满足不同性能要求的R/ECC剪力墙最优PVA纤维掺量及配筋方案，揭示其受力机理；研究钢框架-预制R/ECC剪力墙抗侧力体系在不同水准地震作用下的力学响应，提出不同烈度区钢框架与内填预制R/ECC剪力墙组合方案及承载力计算方法，建立各种性能水平极限状态的失效判别参数、准则及变形容许值，为该结构的抗震设计提供科学依据。

本项目利用PVA-ECC材料所具有的超高韧性和超强的受拉应变-硬化性能，采用预制R/ECC 剪力墙板作为钢框架结构的抗侧力构件，构建耗能能力强、耐损伤能力高、施工周期短，便于灾后修复、更换的钢框架-新型预制R/ECC剪力墙抗侧力体系。开展了基于不同性能需求的预制R/ECC剪力墙ECC材料制备及其力学性能研究；钢框架与预制R/ECC剪力墙连接方法及设计准则；钢框架-预制R/ECC剪力墙受力性能研究；钢框架-预制R/ECC剪力墙结构抗震设计方法研究。提出满足不同性能要求的ECC材料试验配合比；建立PVA纤维体积率、粉煤灰、硅灰掺量与ECC受压、受拉强度、弹性模量和极限应变定量关系，建立了ECC应力-应变本构模型。提出满足不同变形及抗侧刚度要求的R/ECC剪力墙PVA纤维掺量、抗剪钢筋数量的确定方法。分析连接构造对整体试件力学性能的影响，提出符合装配化要求节点构造措施及设计方法。提出钢框架-预制R/ECC剪力墙协同工作机理，建立二者之间刚度协调及内力分配关系，研究表明，抗侧力墙体承担约60%水平剪力，并呈逐步减小趋势，钢框架承担70%~85%倾覆弯矩。在施工安装阶段墙体定位时期，框架柱承担大部分竖向荷载，而抗侧力墙体承担的竖向荷载较少；在施工安装阶段螺栓终拧时期，采取自上而下螺栓终拧顺序时，框架柱竖向荷载分担率约为60%，抗侧力墙体竖向荷载分担率约为40%。在使用阶段，框架柱和抗侧力墙体共同承担竖向荷载，框架柱竖向荷载分担率约为32%，抗侧力墙体竖向荷载分担率约为68%。提出了钢框架-预制R/ECC剪力墙骨架曲线模型，并给出各个关键点值；采用回归分析，确定了试件刚度退化规律，提出拟合公式，建立了适合于钢框架-预制R/ECC剪力墙考虑刚度退化三折线恢复力模型。对钢框架-预制R/ECC剪力墙整体结构进行了弹塑性动力时程分析，钢框架结构中内填剪力墙都可以有效减小结构在地震作用下的位移响应， 8度罕遇地震时，6层钢框架-预制R/ECC剪力墙结构比钢框架位移最大减小53%，18层钢框架-预制R/ECC剪力墙结构比钢框架位移最大减小39%。钢框架-预制R/ECC剪力墙结构加速度反应大于钢框架。对钢框架-预制R/ECC剪力墙结构体系抗震性能水平及性能指标的量化进行研究，提出五个性能水平的失效判别标准，并给出不同性能水平对应的层间位移角限值建议，为该结构的抗震设计提供科学依据。