考虑土-结构相互作用的火灾后钢管混凝土框架结构抗震性能研究

摘要

火灾实例评估鉴定统计结果表明:受火后结构的静力性能和抗震性能均有不同程度折减，但一般通过修复加固仍可继续使用，科学地进行受火后未倒塌结构静力性能和抗震性能的评估及修复加固，研究意义重大。钢管钢筋混凝土柱，是指在钢管素混凝土柱中配置纵向受力钢筋，与钢筋混凝土柱和钢管素混凝土柱相比，受火后承载力及延性均有优势，灾后修复及加固可操作性明显提高，对受火后钢管钢筋混凝土柱高温损伤问题和抗震性能的研究是其继续服役的前提条件。同时，为更真实地反应地震波的传播路径，把土体和上部结构当做一个受力的整体来研究，即考虑土-结构相互作用（SSI效应），使得对于该问题的研究更加安全可靠和经济合理。基于此，针对目前缺乏火灾后方钢管钢筋混凝土轴压短柱静力性能和考虑土-结构相互作用的火灾后钢管钢筋混凝土结构抗震性能研究成果的问题，本文以理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法开展系统研究，主要工作包括:
　　(1)方钢管钢筋混凝土短柱火灾炉明火试验
　　进行了14根按照ISO834标准曲线升降温的方钢管钢筋混凝土短柱明火试验，通过试验测得了钢管、钢筋和混凝土关键测点温度随时间变化的规律，获得了受火时能量传递路径和受火后构件形态。试验结果表明，沿柱子纵向位置分布的不同测点在升降温过程中温度发展规律一致，试件轴向温度场分布均匀;试件内部不同位置存在温度梯度，表现出明显的时间滞后性，越靠近截面中心处，所能达到的最高温度越低，达到最高温度的时间越长，降温也越缓慢。
　　(2)火灾后方钢管钢筋混凝土轴压短柱静力性能试验
　　进行了18根受火后的方钢管钢筋混凝土轴压短柱静力性能试验，考察了升温时间和配筋率对其火灾后力学性能的影响规律。实测了火灾后构件的荷载-位移关系曲线、荷载-钢管应变关系曲线以及剩余承载力等，并与未受火同参数试件比较，获得了构件的破坏模式。试验结果表明，火灾后方钢管钢筋混凝土短柱的破坏形式为剪切破坏，伴有多波鼓曲，经历火灾作用的方钢管钢筋混凝土短柱的轴压承载力、轴压刚度和延性均有不同程度的降低，但仍具有较好的承载能力和变形能力。
　　(3)火灾后方钢管钢筋混凝土柱力学性能数值模型构建与分析
　　建立了方钢管钢筋混凝土柱截面温度场和受火后轴压力学性能的理论分析模型，确定了适合于此类构件的材料热工参数、本构关系、接触模型、单元类型、约束问题以及网格划分等关键参数，将分析模型计算结果与本文试验和以往相关试验结果进行了比较，验证了分析模型的可靠性。
　　(4)火灾后方钢管钢筋混凝土柱力学性能影响参数分析
　　利用所建立的分析模型，分析了升温时间、截面尺寸、材料强度（包括钢管、钢筋和混凝土）、钢管含钢率以及钢筋配筋率等因素对方钢管钢筋混凝土柱火灾后剩余承载力、轴压刚度和延性的影响规律，分析结果表明，经历火灾作用后方钢管钢筋混凝土柱的剩余承载力、轴压刚度和延性均表现为，随着升温时间加大而显著降低，随着截面尺寸增大而显著提高。在参数分析基础上，提出了ISO834标准火灾作用后方钢管钢筋混凝土柱剩余承载力影响系数、轴压刚度影响系数和耗能比值系数的计算表达式。
　　(5)考虑土-结构相互作用的钢管钢筋混凝土框架结构抗震性能数值模型构建与分析
　　建立了考虑土-结构相互作用的钢管钢筋混凝土框架结构抗震性能分析模型，利用以往试验结果验证模型合理性。通过模态分析得到了局部受火后框架的振型和自振周期，并与未受火框架比较;通过结构弹性动力时程分析得到了局部受火后框架在多遇地震作用下的结构水平位移、层间位移角和层间剪力，并与未受火框架进行比较，揭示了火灾高温损伤对其抗震性能的影响。分析结果表明，火灾后框架的自振周期大于未受火框架，二者的前两阶周期振型为平动，第三周期振型为扭转;火灾后框架的节点位移时程曲线振幅、层间位移角和层间剪力均明显大于原未受火框架。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 相关课题研究现状

1．2．1 钢管混凝土柱受火研究现状

1．2．2 框架结构受火性能研究现状

1．2．3 土与结构相互作用研究现状

1．2．4 组合框架抗震性能研究现状

1．2．5 本文概述总结

1．3 论文的研究方案

1．3．1 研究目的与研究意义

1．3．2 研究方法与研究内容

2 土-结构相互作用理论分析

2．1 引言

2．2 土-结构相互作用理论

2．2．1 整体分析法

2．2．2 集中参数法

2．2．3 子结构法

2．3 土-结构相互作用有限元方法

2．3．1 结构动力学基本方程

2．3．2 岩土介质动力学基本方程

2．4 动力人工边界

2．4．1 人工边界模拟办法

2．4．2 本文土层边界处理

2．5 接触面问题

2．5．1 接触面本构关系

2．5．2 接触面单元模型

2．6 本章小结

3 受火后方钢管钢筋混凝土轴压短柱静力性能试验研究

3．1 引言

3．2 试验概况

3．2．1 加载方案

3．2．2 试件设计

3．2．3 材性试验

3．2．4 试验步骤

3．3 升降温试验

3．3．1 试验过程

3．3．2 试验现象

3．3．3 截面温度

3．4 加载试验

3．4．1 试验过程

3．4．2 试验现象

3．4．3 破坏模式

3．4．4 试验结果

3．5 本章小结

4 受火后方钢管钢筋混凝土轴压短柱静力性能有限元分析

4．1 引言

4．2 温度场计算模型

4．2．1 热工性能

4．2．2 单元选取

4．2．3 边界条件与分析步

4．2．4 后处理

4．2．5 温度场模型验证

4．3 受火后力学分析模型

4．3．1 本构关系

4．3．2 单元选取

4．3．3 接触问题

4．3．4 边界条件与加载方式

4．3．5 网格划分

4．3．6 求解方法

4．3．7 力学场模型验证

4．4 参数分析与简化计算方法

4．4．1 剩余承载力影响系数

4．4．2 轴压刚度影响系数

4．4．3 耗能比值系数

4．5 本章小结

5 考虑土-结构相互作用的火灾后钢管混凝土框架抗震性能

5．1 引言

5．2．1 土-结构模型参数

5．2．2 人工边界

5．2．3 阻尼参数

5．2．4 单元网格

5．2．5 模型验证

5．3 模态分析

5．3．1 模态分析方法

5．3．2 火灾前、后结构振型分析

5．3．3 火灾前、后结构自振周期对比

5．4．1 地震波选取与输入

5．4．2 火灾前、后水平位移分析

5．4．3 火灾前、后层间位移角变化

5．4．4 火灾前、后层间剪力变化

5．5 本章小结

6 结论、创新点及展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

作者简历

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