圆钢管约束钢筋/型钢混凝土柱-钢梁框架抗震性能研究

摘要

钢管约束混凝土结构具有承载力高、抗震抗火性能好、可充分利用高强材料、节约模板和施工方便等优点，在高层及超高层结构、大跨度空间结构下部支承结构、重载结构、桥梁结构等各类大型结构中具有广阔的发展前景。目前，国内外对钢管约束混凝土柱与梁柱节点等构件层面的研究较多，而对其结构体系抗震性能的研究较少，结构体系的抗震设计依据不足。为进一步完善钢管约束混凝土结构体系的抗震设计方法，本文对圆钢管约束钢筋/型钢混凝土柱-钢梁框架抗震性能进行研究，主要研究工作和成果如下：　　①基于已有钢管约束混凝土研究成果，建议了适用于钢管约束混凝土柱滞回性能模拟的应力-应变关系模型，提出了简化加卸载规则。建立了基于ABAQUS和OpenSees平台的钢管约束混凝土柱实体和纤维单元有限元模型，并通过与已有试验结果的对比验证了有限元模型的适用性和准确性。基于有限元分析结果，提出了钢管约束混凝土柱塑性铰判定准则，并建议了钢管约束混凝土长、短柱的界限剪跨比。　　②完成了两榀圆钢管约束钢筋混凝土柱-钢梁框架和两榀圆钢管约束型钢混凝土柱-钢梁框架的试验研究，研究参数均为满足和突破规范有关“强柱弱梁”限值要求的柱梁强度比。通过试验，得到了试件的荷载-水平位移滞回曲线、节点剪力-剪切变形关系、位移-框架材料应力曲线、破坏模式等。分析了框架的承载力和变形能力，梁、柱塑性铰区和节点核心区型钢、钢筋与钢管的应力发展，探究了框架的变形机制、耗能性能、刚度退化机理和破坏机理。试验结果表明，满足和突破“强柱弱梁”限值要求的框架分别出现了典型的梁铰和柱铰破坏机制；不同破坏机制下的两榀框架对应荷载-位移曲线特征、变形模式、破坏机理均存在较大差异。柱铰机制破坏并未导致框架的延性和变形能力显著降低，这表明对于钢管约束混凝土框架结构，由于框架柱的延性和变形能力很强，即使框架柱先出现塑性铰，结构整体仍能保持良好的延性。　　③基于ABAQUS和OpenSees平台分别建立了钢管约束钢筋/型钢混凝土柱-钢梁框架的实体单元和纤维单元有限元模型，通过与试验结果对比验证了有限元模型的准确性。针对试验模型，采用实体有限元模型对框架梁和柱的应力发展、柱顶竖向变形、节点核心区转动、楼板的影响等进行了分析。利用纤维单元模型，对轴压比、混凝土强度、钢管屈服强度、径厚比、柱长径比、柱梁强度比和梁柱线刚度比进行了参数分析，提出了框架柱梁强度比设计建议。通过纤维模型分析了P-Δ效应以及底层框架柱为短柱对框架结构抗震性能的影响。　　④以钢管约束钢筋混凝土柱-钢梁框架作为代表案例，对钢管约束混凝土框架结构体系的抗震性能进行研究。共设计5个框架结构算例，研究内容包括柱截面用钢量相同的钢管约束混凝土与钢管混凝土框架结构抗震性能差异；柱截面总用钢量相同但配筋率不同的钢管约束混凝土框架结构抗震性能差异；以及柱梁强度比对钢管约束混凝土框架抗震性能的影响。利用OpenSees软件建立了各算例的纤维单元有限元模型，并进行了Pushover分析、时程分析、IDA分析和地震易损性分析，比较了不同算例的能力曲线、屈服机制、层间位移和抗倒塌能力。基于框架试验及其有限元分析，以及结构体系静力和动力弹塑性分析，提出了钢管约束混凝土框架结构体系最大适用高度、弹性及弹塑性层间位移角限值、柱梁强度比和构造措施等方面的抗震设计建议。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 研究与应用现状

1.3 本文主要研究内容和技术路线

2 钢管约束钢筋/型钢混凝土柱数值模拟方法

2.1 引言

2.2 钢管约束钢筋/型钢混凝土柱的实体单元模型

2.3 钢管约束钢筋/型钢混凝土中长柱纤维模型有限元

2.4 钢管约束钢筋/型钢混凝土柱分层壳有限元模型

2.5 本章小结

3 圆钢管约束钢筋混凝土柱-钢梁框架试验研究

3.1 引言

3.2 试验方案

3.3 试验现象和分析

3.4 本章小结

4 圆钢管约束钢筋混凝土柱-钢梁框架有限元模拟方法和参数分析

4.1 引言

4.2 实体有限元建模方法

4.3 试验框架有限元分析

4.4 纤维模型有限元建模方法

4.5 基于纤维模型的有限元参数分析

4.6 P-Δ效应对钢管约束钢筋混凝土柱-钢梁框架的影响

4.7 短柱框架有限元建模及抗震性能对比

4.8 本章小结

5 圆钢管约束型钢混凝土柱-钢梁框架试验研究

5.1 引言

5.2 试验方案

5.3 试验现象和分析

5.4 本章小结

6 圆钢管约束型钢混凝土柱-钢梁框架有限元模拟方法和参数分析

6.1 引言

6.2 实体有限元建模方法及模型验证

6.3 试验框架有限元分析

6.4 纤维模型有限元建模方法和模型验证

6.5 基于纤维模型的有限元参数分析

6.6 P-Δ效应对钢管约束型钢混凝土柱-钢梁框架的影响

6.7 短柱框架有限元性能对比

6.8 本章小结

7 圆钢管约束钢筋混凝土柱-钢梁框架结构体系分析

7.1 引言

7.2 数值模型

7.3 静力弹塑性分析

7.4 弹塑性时程分析

7.5 基于IDA方法的地震易损性评价方法

7.6 框架结构地震易损性分析

7.7 钢管约束混凝土框架结构设计建议

7.8 本章小结

8 结论与展望

8.1 结论

8.2 创新性工作

8.3 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文

B. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢