屈曲约束支撑装配式钢管混凝土框架结构抗震性能与设计方法

摘要

高强单边螺栓装配式钢管混凝土组合框架是由钢管混凝土柱与钢梁通过高强单边高强度螺栓和适宜端板连接，再通过钢筋桁架混凝土组合楼板形成新型装配式结构体系。此类装配式框架具有承载力高、抗震性能优良、施工快捷等优点，在多、高层建筑与工业建筑中有良好的应用前景。另外，屈曲约束支撑作为消能减震技术，可以有效地提高装配式钢管混凝土组合框架的抗侧移刚度和耗能减震效果。
　　目前国内外对采用梁柱刚性连接节点的钢管混凝土组合框架研究较多，但是对高强单边螺栓连接装配式钢管混凝土组合框架的研究较少，尤其是屈曲约束支撑高强单边螺栓装配式钢管混凝土组合框架尚缺乏抗震试验、设计方法、破坏机理等基础研究，为了应用和推广此类新型结构形式，本文主要开展了以下工作:
　　(1)进行了两层单跨装配式钢管混凝土组合框架的水平低周往复荷载试验，试件采用了高强单边螺栓端板连接，并设置了屈曲约束支撑的，探讨了柱截面类型和端板形式对组合结构整体抗震性能的影响。研究了此类装配式结构的受力过程和破坏模式，获得了水平荷载-水平位移滞回曲线，分析了框架结构的滞回性能、强度和刚度退化规律、延性、耗能能力等抗震性能，为建立屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架设计理论提供了试验依据。
　　(2)确定了钢管混凝土柱、钢-混凝土组合梁、梁柱组合节点和屈曲约束支撑等重要构件的关键参数。提出了基于宏观模型的整体结构非线性分析方法，建立了三个层次的屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架结构体系简化计算方法，包括基于纤维模型理论的计算方法、基于多尺度模型的计算方法、基于杆件模型的计算方法;采用抗震试验数据对计算方法进行了有效验证，为此类装配式结构在常规分析和性能化分析提供了计算方法和参考依据。
　　(3)采用SAP2000程序建立了屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架的弹塑性分析模型;重点考察了梁柱节点刚度和支撑布置方式等关键参数，基于位移能力谱法开展了此类装配式框架结构的非线性数值分析。计算结果表明:梁柱节点刚度和支撑布置方式对屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架抗震性能有明显影响。
　　(4)通过Perform3D程序，基于能量法开展了屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架的弹塑性时程分析，着重分析了梁柱节点刚度和支撑布置方式的影响。计算结果表明:地震动频谱对结构的总输入能、阻尼耗能、滞回耗能以及滞回耗能占总耗能比例影响较大;结构的阻尼比对滞回耗能占总耗能比例影响比较显著;节点刚度变化对框架滞回耗能有明显影响;屈曲约束支撑布置方式对滞回耗能的层间分布和构件间分布均有较大的影响。
　　(5)基于试验数据和理论分析结果，提出了屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架结构设计的关键步骤，包括此类装配式结构的常规分析和性能化分析，给出了钢管混凝土柱、钢-混凝土组合梁、梁柱组合节点和屈曲约束支撑等重要构件的设计验算公式，建立了屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架结构的抗震设计方法，通过算例验证了该方法的实用性和可行性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 屈曲约束支撑研究现状

1．2．2 屈曲约束支撑钢筋混凝土框架研究现状

1．2．3 屈曲约束支撑钢框架研究现状

1．3．1 研究目的

1．3．2 拟解决的关键问题

1．3．3 技术路线

1．3．4 研究内容

第二章 屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架结构的抗震试验

2．1 引言

2．2．1 试件的选取

2．2．2 试件的设计、制作与安装

2．3 材性试验

2．3．1 钢材的材性试验

2．3．2 混凝土的材性

2．3．3 螺栓的材性

2．3．4 抗剪栓钉的材性

2．4．1 加载方案

2．4．2 量测内容

2．5 试验现象观察

2．5．1 试件BCF1

2．5．2 试件BCF2

2．5．3 试验现象总结

2．6 试验结果与分析

2．7 小结

第三章 屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架的抗震性能分析

3．1 引言

3．2 抗震性能分析

3．2．1 荷载-位移(P-Δ)骨架曲线

3．2．2 骨架曲线的特征点

3．2．3 承载力退化

3．2．4 刚度退化

3．2．5 延性系数

3．2．6 耗能能力

3．3 破坏模态分析

3．3．1 楼板裂缝分布与发展

3．3．2 组合柱的钢管应变分析

3．3．3 组合梁的钢梁应变分析

3．3．4 栓钉的应变分析

3．3．5 端板的应变分析

3．3．6 屈曲约束支撑的应变分析

3．3．7 塑性铰分布

3．4 小结

第四章 屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架的计算方法

4．1 引言

4．2．1 纤维模型理论

4．2．2 屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架纤维模型

4．2．3 材料本构模型

4．2．4 单元构件非线性纤维模型

4．2．5 OpenSees模型的试验验证

4．3 基于多尺度模型的屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架计算方法

4．3．1 材料本构模型

4．3．2 钢管混凝土柱和组合梁的简化计算模型

4．3．3 屈曲约束支撑简化计算模型

4．3．4 单边螺栓连接组合节点简化计算模型

4．3．5 Perform-3D模型的试验验证

4．4 基于杆件模型的屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架计算方法

4．4．1 钢管混凝土柱简化计算模型

4．4．2 组合梁简化计算模型

4．4．3 单边螺栓连接组合节点简化计算模型

4．4．4 屈曲约束支撑简化计算模型

4．4．5 SAP2000模型的试验验证

4．5 小结

第五章 屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架基于位移法的抗震分析

5．1 引言

5．2 基于位移的抗震分析方法

5．2．1 Q模型方法

5．2．2 目标位移法

5．2．3 能力谱法

5．3．1 工程概况

5．3．2 基于位移法的框架结构抗震分析

5．3．3 节点刚度变化的影响

5．3．4 屈曲约束支撑布置方式的影响

5．3．5 普通支撑框架与屈曲约束支撑框架结构对比

5．4 小结

第六章 屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架基于能量法的抗震分析

6．1 引言

6．2 基于能量的抗震分析方法

6．2．1 能量方程

6．2．2 相对能量方程

6．2．3 绝对能量方程

6．2．4 相对能量方程和绝对能量方程的区别

6．2．5 基于能量的结构损伤分析

6．3 基于能量法的抗震分析

6．3．1 地震波的选取

6．3．2 基于能量的屈曲约束支撑钢管混凝土组合框架结构抗震分析

6．3．3 节点刚度变化的影响

6．3．4 屈曲约束支撑布置方式的影响

6．3．5 普通支撑与屈曲约束支撑框架结构对比

6．4 小结

第七章 屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架的抗震设计方法

7．1 引言

7．2 设计流程

7．3 构件与节点设计

7．3．1 钢管混凝土柱设计

7．3．2 组合梁设计

7．3．3 单边螺栓连接梁柱组合节点设计

7．3．4 屈曲约束支撑设计

7．4 算例

7．4．1 工程概况

7．4．2 截面选择及验算

7．4．3 基于位移法评价

7．4．4 基于能量法评价

7．5 小结

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 不足与展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况