双钢板混凝土组合剪力墙抗冲击性能及设计方法研究

Steel-concrete composite (SC) shear walls have been widely used in high-rise buildings, bridge piers, shield shells in nuclear power plants, and offshore structures etc., due to the advantages of high bearing capacity, good impermeability, and efficient construction. Structures may suffer unexpected impact effects during service. Comparing to the static loads or quasi-static loads, the impact loads are characterized with short-duration, high strength, and inertial effects. Consequently, the response of the structure subjected to impact loads is different from that caused by static loads. However, researches on the impact resistance of SC walls are rarely reported and cannot satisfy the demand for engineering. This program is intended to carry out a falling mass impact test considering the couple of compressive load, investigating the effect of the parameters such as compressive load, various combinations of the impact energy and momentum, material properties, and the ratio of shear connectors. The residual compressive bearing capacity of the specimens will be tested to evaluate the collapse-resistant capacity. Based on the experimental results, the failure mechanism of SC shear walls subjected to impact load can be obtained, and a calculation method of impact force, deformation, and residue bearing capacity will be derived. Then, a design method in coordination with the Chinese code system can be proposed to guide the engineering projects.

双钢板混凝土组合剪力墙具有承载力高、包容性强、施工便捷等优点，在高层建筑核心筒、板式桥墩、核安全壳、海上石油平台等结构中有广泛的应用前景。在服役过程中结构物可能遭受意外的冲击作用，与静力加载相比，以历时短、强度高、惯性效应明显为特征的冲击作用使结构响应有着不同的规律和特征，而目前针对双钢板混凝土组合剪力墙抗冲击性能的研究成果很少，无法满足工程需求。本项目拟针对这一问题，进行16片组合墙的落锤冲击试验，计及轴压与横向冲击的耦合，探究轴向压力，不同能量、动量组合，材料强度，以及抗剪件含钢率等参数对墙体冲击性能的影响规律，并进行冲击后轴压试验，对墙体的抗倒塌能力作出评价。在此基础上，揭示组合墙在冲击荷载作用下的破坏机理，着眼于承载力、变形能力及残余承载力等三个方面，建立相应的抗冲击设计方法。

双钢板混凝土组合结构（SC结构）主要由双层钢板和内部的素混凝土组成，因其具备承载力高、密闭性好的优良特性而被应用于海岸工程和特种工业建筑中。结构在服役期间可能遭受意外的冲击作用而发生突发性破坏。目前，相关的研究对于低速冲击下的SC墙板受力性能鲜有涉及，因而深入系统地开展SC墙板的抗冲击性能及设计方法研究有着十分重要的理论意义和工程应用价值。.本项目超额完成计划任务，主要研究内容及研究成果如下：.（1）完成47个SC墙板试件的落锤冲击试验。研究了不同冲击能量下SC墙板的动力响应，以及轴向压力、含钢率和抗剪连接件布置等参数的影响。结果表明，SC墙板在低速冲击作用下的动力响应过程分为惯性响应、冲击加载、回弹卸载和自由振动四个阶段；随含钢率的增加和抗剪连接件布置的增强，SC墙板的耗能和变形能力降低。.（2）对8个带有冲击损伤的试件进行轴心受压剩余承载力试验，并与2个未受冲击试件的试验结果对比。结果表明剩余承载力与损伤区域的大小呈线性关系，进而给出了剩余承载力的计算方法。.（3）采用ANSYS/LS-DYNA软件建立SC墙板的三维有限元分析模型。模拟结果准确描述了试验试件的破坏模态和动力响应。进一步参数分析表明，大部分区域的应变率处于准静态加载范围内，材料的应变率效应可以忽略；当轴压比超过某临界值时SC墙板的抗冲击性能显著降低，建议取临界值为0.3；基于较高冲击能量下的极限膜力峰值，提出极限承载力-轴力破坏包线的计算公式。.（4）进行SC墙板动力响应的理论分析。基于试验研究和数值模拟，推导了轴向压力和面外荷载共同作用下SC墙板刚度和抗力的解析表达式，给出了三折线抗力函数曲线。基于等效单自由度法和能量守恒法，分别提出了SC墙板位移时程和最大位移的计算方法。.（5）提出SC墙板的抗冲击设计方法。针对低速冲击问题，从局部破坏、最大变形和损伤程度三个方面给出SC墙板的抗冲击设计要求和设计流程，并通过工程算例验证设计方法的可行性，为进一步工程应用奠定了基础。