应用钢板组合剪力墙的某高层建筑结构抗震性能分析

本文以某高层结构为研究对象，通过有限元分析软件研究钢板组合剪力墙在某高层结构的应用布置，分析新钢板组合剪力墙结构相比于原结构在反应谱和时程分析作用下的抗震性能优势。

第一章 绪论

1.1 研究背景
随着改革开放的不断深入，我国的建筑行业在 20 世纪后期进入了飞速发展的时期，为了满足不断发展的现代化工业和应对不断增长的人口问题带来的城市压力，高层建筑应运而生，不管是在高层建筑数量上还是质量上都出现了飞速的发展，其中在广州和深圳相继出现了高 391 米的中信广场、总高度 600 米的广州塔和高 384 米的深圳地王大厦还有上海 420 米的金茂大厦，再加上香港的两座标志性的高层建筑高 374 米的香港中环广场和高 369 米的中银大厦，这些是当时中国最高的建筑。

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1.2 高层建筑结构的特点及研究现状
随着中国城市化的不断加快，中国高层建筑也涌现出了众多特点，其中包括建筑高度的不断增加以及结构体型的不断升级变化，在这个过程中，高层建筑结构也不断应用了钢材与混凝土的混合结构来提高结构的整体刚度从而达到抗风和抗震的效果。
高层建筑结构特点[4]：
1、高层建筑一个比较显著的特征就是来自水平方向的荷载受力，因此水平方向的荷载是进行结构设计中需要考虑的一个主要因素。
2、由于其受力特点中有一个显著的特点是水平方向的荷载受力比较大，所以在水平方向上就要求结构有足够大的抗水平的侧向刚度，并且结构倾覆力矩大，P-Δ 效应明显。受力特点如下图所示：

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第二章 钢板混凝土组合剪力墙的相关理论和研究

2.1 外包钢板组合剪力墙的相关理论及研究
2.1.1 一般规定和构造要求
在外包钢板组合剪力墙的构造中主要是通过各种连接件来实现钢板组合剪力墙的外包钢板和里面所填置的混凝土之间的粘结滑移作用力，这样的构造从受力性能方面也提高了墙体的动力性能，这其中的连接件包括栓钉构件、加劲肋板构件、缀板或对拉螺栓这几种构件，具体的连接形式如下图所示。[61]
2.1.2 工作和破坏机理
下面总结外包钢板组合剪力墙结构中钢板和混凝土之间协同工作和破坏的工作机制的规律：
（1）钢板组合剪力墙通过钢板和混凝土以及内部的钢筋进行协调变形和受力，其中钢板和混凝土之间一般通过栓钉或者拉结筋来达到这种协调变形的关系，并且由于钢板具有很高的强度所以在混凝土发生受拉或者受压屈服达到破坏时，钢板可以通过其自身很强的延性和抗侧刚度来保证结构具有更强的抵抗外荷载或者地震力的能力。其中由于其延性比较大所以结构在达到最大的承载力之后也会下降比较慢，这是其优势所在。
（2）在钢板组合剪力墙的实验分析当中剪力墙在发生开裂之前，三种材料即混凝土、钢筋和钢板之间可以保持很好的协调变形的工作共同抵抗外力作用，此时混凝土承担更大的受力。
（3）当荷载越来越大的时候，混凝土的应力也越来越大，导致其开裂并且裂缝越来越大，此时混凝土不再作为主要的承力构件，钢板和钢筋构件开始发挥它们的强度优势，此后钢材作为主要受力部分工作直到整个构件屈服失效，整个过程中钢板发挥了在受力方面的优越性能提高了构件的承载力。
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2.2 内置钢板组合剪力墙的相关理论及研究
2.2.1 一般构造及规定
规范中明确了内置钢板墙关于构件配筋率方面的要求，这其中包括了构件在水平和纵向的最小配筋率如下表所示，对于剪力墙构件内的分布筋的间距规定不能超过 200mm的大小，而对于构件内拉结筋间距的规定不能超过 400mm，为了保证钢板和构造分布钢筋之间的有效连接需要在其之间设置连接确保稳定。[62]
在厚度方面的规定，内置钢板组合剪力墙中的钢板厚度不宜小于 10 毫米，而且钢板和剪力墙厚度的比值不宜超过 1/15。并且其端部为了组成内置型钢的约束，还要设置纵向钢筋和箍筋配合的两种钢筋。而对于端部构件钢板组合剪力墙混凝土保护层方面的规定规范是取了不宜小于 150mm 的要求，并且绕过剪力墙端部的型钢进行配筋。内置钢板墙中栓钉是这个构件中不可或缺的一部分，它的作用是作为钢板与混凝土之间协同工作连接的重要构件存在，规范中关于栓钉的直径明确了基本上要大于 16mm 间距不宜大 300mm。

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第三章 应用钢板组合剪力墙布置的结构有限元分析...........................31
3.1 工程概况......................................31
3.1.1.工程概况及基本设计标准..............................31
3.1.2.结构荷载情况.........................32
第四章 罕遇地震作用下的弹塑性时程分析....................49
4.1 弹塑性时程分析..............................49
4.1.1 基本原理及意义.........................49
4.1.2 地震波的选取......................49
第五章 钢板剪力墙不同竖向布置的结构性能分析............................64
5.1 引言.............................64
5.2 钢板组合剪力墙的竖向布置方案及模型建立....................64

第五章 钢板剪力墙不同竖向布置的结构性能分析

5.1 引言
上述章节分析了普通混凝土剪力墙结构和在底部楼层区域布置钢板剪力墙的结构方案模型在反应谱和地震作用下的抗震性能，接着为了保证结构有合适的抗侧刚度，还应该考虑钢板组合剪力墙结构在立面方向中的竖向布置，考虑钢板组合剪力墙在结构底部楼层区域的不同布置层数对结构动力响应的影响，并分别通过反应谱分析和地震作用下的时程分析对结构的抗震性能进行分析。
在原结构保持平面布置不变的基础上， 分别在结构的底部 1-4 层、1-6 层、1-8 层、1-10 层的结构楼层位置布置外包钢板组合剪力墙，通过在结构底部不同楼层位置布置钢板组合剪力墙（考虑结构在竖向布置的刚度连续，不发生较大的突变，将布置钢板的楼层剪力墙的厚度统一），应用盈建科与 ABAQUS 有限元分析研究不同的钢板组合剪力墙的竖向布置对于结构动力特性的影响，并对各结构进行模态分析和地震作用下的动力时程分析。
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第六章 结论与展望

6.1 研究结论
本论文主要研究钢板组合剪力墙在某一高层结构的应用分析，分析和对比新钢板剪力墙结构在反应谱和时程分析中与普通剪力墙的抗震性能差异。本文以某高层结构为研究对象，通过有限元分析软件研究钢板组合剪力墙在某高层结构的应用布置，分析新钢板组合剪力墙结构相比于原结构在反应谱和时程分析作用下的抗震性能优势，得出的主要结论如下：
1、首先从降低结构底部墙体厚度和减少剪力墙底部损伤的角度出发，通过对原结构底部楼层减少墙厚并布置钢板组合剪力墙，通过反应谱分析得出：新钢板剪力墙结构的自振周期和扭转效应减少，层间位移角比原结构稍有减少，但减少幅度较少，顶点位移响应也比原结构稍有减少，这是由于反应谱阶段钢板剪力墙还未发挥其较强的延性性能。新钢板组合剪力墙结构质量的减少使得结构的基底剪力峰值减少，其倾覆力矩增加。
2、在罕遇地震分析中，减少墙体宽度尺寸并在结构中布置了不同钢板厚度的剪力墙之后平均的层间位移角比原结构分别减少 4.07%和 8.56%。其顶点时程地震响应和顶点加速度也明显比原结构普通混凝土剪力墙结构小，地震作用下模型三的顶点时程位移比原结构平均减少 5.1%，同时在大震作用下结构底部楼层布置的钢板发挥了其良好的延性增加了对混凝土的塑性损伤保护作用，减少了混凝土的受拉损伤破坏，剪力墙体的受拉损伤情况也比原结构的要小，说明钢板剪力墙结构在减少底部楼层剪力墙宽度尺寸的同时，提高了结构的抗震性能和减少剪力墙结构的损伤。
参考文献（略）