河北工业大学硕士学位论文钢框架-钢板剪力墙结构抗震性能研究姓名：邢超申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：田稳苓20081101钢框架- 钢板剪力墙结构抗震性能研究 ii 钢框架钢框架- 钢板剪力墙结构抗震性能研究钢板剪力墙结构抗震性能研究 摘摘 要要 钢框架- 钢板剪力墙结构指在钢框架结构基础上在部分框架梁柱间内填钢板的结构体系。这种结构弹性初始刚度高、位移延性系数大、滞回性能稳定，具有非常好的抗震性能，并且具有自重轻、施工速度快等优点。我国是地震多发地区，对这种抗震能力优越的结构体系进行研究与应用，有很强的现实意义。本文在综合国内外工程实践和研究成果的基础上，对钢框架- 钢板剪力墙结构体系整体抗震性能做了较深入的理论研究和模拟分析。论文的主要研究内容及取得的研究成果包括下列方面： 1. 建立了钢板剪力墙构件的有限元模型，并进行了简化；进行了单层钢板剪力墙的拟静力试验模拟分析，验证了有限元模型的适用性。 2. 对钢框架- 钢板剪力墙整体结构模型进行了弹塑性地震反应分析研究， 得出了结构在罕遇地震作用下的变形、位移、剪力分担特征，并在此基础上对结构的初步设计提出了建议。 3. 应用能量分析方法对钢框架- 钢板剪力墙结构进行能量反应研究， 得出了结构在罕遇地震作用下结构的能量输入、分配以及耗散特性。 4. 对结构进行了参数分析研究，得出了内填钢板高厚比、周边柱弹性刚度、周边梁抗弯刚度对结构弹塑性地震反应的影响。 关键词关键词：钢框架- 钢板剪力墙结构，抗震性能，弹塑性时程，能量方法，参数分析河北工业大学硕士学位论文 iii STUDY ON SEISMIC BEHAVIOR OF STEEL FRAME- SPSW STRUCTURE ABSTRACT Steel- FrameSteel Plate Shear Wall structure refers to steel frame which filled with steel plate between some beams and columns to improve the structural rigidity and seismic performance. It has excellent initial stiffness, ductility displacement factor, stable hysteretic behavior, light weight and constructed fast.Steel Plate Shear Wall has been recognized superior, especially in high seismic area. However, China is an earthquake- prone area. For the safety of the people, research and application on this structure is very necessary and meaningful. This article based on previous studies, seismic behavior study of simulation and analysis on Steel- FrameSPSW structure has been done. The main research results achieved include the following aspects： 1. The establishment and simplify of FEM modal；The simulation and verification of Quasi- Static experimental on single SPSW structure. 2. Elastic- plastic dynamic time- history analysis on a whole building which built with Steel- Frame- SPSW structure, derived the deformation, displacement and shear- sharing features of it. Advice of preliminary design was summarized. 3. Method of energy was applied, research on whole earthquake energy input, distribution and dissipation characteristics of Steel- Frame - SPSW structure. 4. Parameter study on seismic behavior of Steel- Frame - SPSW structure which different from three factors. By comparison, influence of these factors was summarized. KEY WORDS: Steel- FrameSPSW structure, seismic behavior, elastic- plastic dynamic time- history analysis, method of energy, parameter study 钢框架- 钢板剪力墙结构抗震性能研究 vi 符号说明符号说明 cr- 弹性屈曲应力，(Mpa)。 a- 内填板宽，(m)。 b- 内填板高，(m)。 t- 内填板厚，(m)。 - 内填板高厚比。 rk- 板的剪切屈曲系数。 E- 钢板的弹性模量，(2/N m)。 - 钢板的泊松比。 - 周边柱弹性刚度， （/N m） 。 B- 周边梁抗弯刚度， （/N m） 。 I- 惯性矩， （4m） 。 A- 截面面积， （2m） 。 11A- 最大屈曲挠度幅值，(m)。 suF- 钢板的抗剪极限承载力， （N） 。 TK- 结构在某一增量步上的切线刚度矩阵。 P- 结构当前的外载增量，（N）。 q- 结构当前的位移增量，（m）。 0U-结构当前时刻位移，(m)。 0U-结构当前时刻速度，(/m s)。 0U-结构当前时刻加速度，(2/ms)。 mP- 结构极限荷载， （N） 。 yP- 结构屈服荷载， （N） 。 - 位移延性系数。 T- 地震波持时。 - 结构阻尼比。 2 n- 第 n 阶振型向量。 inE- 地震输入结构的总能量， （N m） 。 sE- 结构体系存储的能量， （N m） 。 dzE- 结构耗散的能量， （N m） 。 hE- 结构滞回耗能， （N m） 。 cE- 结构的阻尼耗能， （N m） 。 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1- 1 引言引言 1- 1- 1 国内钢结构住宅发展现状国内钢结构住宅发展现状 住宅建筑采用砖石材料砌筑，在我国已有几千年的历史，它既是一部建筑技术发展的文明史，又是一部毁田弃农、污染环境、生态失衡的无奈史。长年大量砖混住宅的兴建，使我国原来就非常稀少的耕地更加短缺，毁田造成的土地沙化也使环境更加恶劣。而钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、地基费用省、占用面积小、工业化程度高等一系列优点，与混凝土结构相比它是环保的和可再次利用的，也是易于产业化的结构。在我国钢产量已跃居世界首位，急需在建筑业寻求更大市场的条件下，研究开发钢结构住宅，采用钢结构替代传统的砖混结构就成了当前住宅产业革命的一种新潮流。 发展钢结构住宅政策条件已经具备。国家经贸委在2000 年建筑技术和重点中明确提出，要建立现代化住宅产业工业体系，重点进行轻钢结构体系、住宅节能体系和新型建筑材料的开发。建设部、国家冶金工业局联合组织建筑用钢技术协调组制定了国家建筑钢结构产业“十五”计划和 2015 年发展规划纲要 。纲要中明确阐述：应着力研究钢结构在各类建筑中应用的新体系，扩大应用范围。2001年底建设部发布了钢结构住宅建筑产业化技术导则 ，为钢结构住宅提供了政策上的支持。 钢产品和建筑钢材品种的增加、 钢结构生产制造新工艺的出现为钢结构住宅的发展打下了良好的基础。随着国家二十一世纪狠抓冶金科技进步，提高我国钢铁工业的技术水平和装配水平，到 2020 年前后我国有望成为世界的钢铁强国。过去长期不能生产的 H 型钢，现在已可以在多家钢铁企业生产了。高效的焊接工艺和新的焊接、切割设备的应用，如各种反面衬垫方法的双面成型单丝和多丝埋弧焊、龙门架工字梁双侧双丝快速焊接生产线、 各种数控火焰机和激光切割机， 为钢结构高效制作和生产高质量产品创造了良好条件。高效焊接材料的使用，如气体保护焊和自保焊药芯焊丝以及各种高效焊条；摩擦型强力螺栓和采用扭力自动控制方法以及防腐、 防火等新工艺、 新材料的开发等都为深入发展钢结构住宅工程创造了良好的条件。 钢结构住宅的节能、高效、环保与产业化等无可比拟的优势更为它插上了腾飞的翅膀。20 世纪后几年，我国城镇住宅建设以每年竣工面积 4.4 亿平方米，总产值 6000 亿元（约占 GDP9）的建设迅猛发展，住宅产业成为国民经济中新世纪的新的增长点。实现住宅产业现代化，解决目前住宅建设中存在工业化水平低，部品化率低以及住宅用材档次低，寿命低，不利于环保等问题，已被列入新世纪急待解决的问题。钢结构住宅具备绿色建筑的条件，它可实现材料的循环利用，有利于保护环境，节约能源，有些公司的钢材回用率可达 100。 综上所述，钢结构住宅主要优点表现在： 1. 自重轻，承载力高，抗震性能好； 2. 施工安装简单快速，可以大大缩短工期； 3. 结构断面较小，结构跨度较大，可以增加房屋使用面积并使房屋布置更加灵活，更加人性化； 4. 钢结构配套技术的轻质墙板、 复合楼板和屋面板等可以采用新型建筑材料， 易于实现建筑节能的要求； 5. 容易实现设计的标准化，构配件生产的工厂化，施工机械化、装配化，效率高，容易保证质量； 钢框架- 钢板剪力墙结构抗震性能研究 2 6. 施工垃圾少，噪声低，对环境影响小； 7. 国家政策支持力度很大。 钢结构住宅符合我国的基本国策，符合国家的产业政策和发展产业化的方向，北京、天津、上海、山东等省市已开始进行钢结构住宅试点， 天津市钢结构住宅产业基地更是进入了实质性运作阶段， 已建成天津市丽苑小区1等示范工程。 图 1.1 建设中的钢结构住宅 Fig. 1.1 The steel structure housing in Construction 1- 1- 2 发展高层钢结构住宅的必要性发展高层钢结构住宅的必要性 低层轻钢住宅作为主流住宅产品， 在欧美等国经过几十年发展改进， 已具备非常完善的技术生产体系和丰富的配套产品体系。但我国的国情是人多地少、资源缺乏，低层低密度的小住宅不可能成为中国住宅产业发展的主流， 但是在钢铁资源较为丰富的部分小城镇及农村， 低层轻钢住宅有着一定的发展潜力。相比之下在大中城市，多层及高层住宅有着较高的综合经济效益和更为广阔的市场前景。2006 年12 月 18 日，国土资源部等部委更是联合发布了限制用地项目目录和禁止用地项目目录 ，低层别墅等项目用地被明令禁止。 发展高层钢结构住宅，是我国的国情决定的。用最少的土地资源来为更多的人提供住宅，是国家的政策导向，是我们应该关注到的动向，低层钢结构住宅浪费土地资源，性价比低。钢结构住宅的合理性更多的是从综合经济效益出发， 从节约能源、 循环使用钢材、 保护环境、 促进经济持续发展的角度考虑。安全、节能、科技含量高的高层钢结构住宅，是钢结构住宅发展的主流方向，是我国目前实际的解决群众住房问题的途