高层钢—混凝土混合结构研究和设计的若干问题

论文摘要

钢-混凝土混合结构充分发挥了钢和混凝土结构的各自优势，其优越性逐步为人们所认识并在实际工程中证明是一种经济、有效的结构体系，正越来越广泛地应用到各类建筑中。本文第一章回顾了混合结构体系的发展史，国内、外有关组合构件规范的特点，介绍了这种结构体系力学分析方法和设计要点，同时指出了混合结构的优缺点和尚待解决的一些问题。介绍论文的背景工程和主要研究内容。第二章详细介绍了建立在样条函数、变分原理和弹塑性应变理论基础上的QR法。通过选择合适的样条函数，利用QR法构建了钢框架-混凝土剪力墙混合结构静力弹塑性分析的计算格式，用MATLAB语言编制了相应的QR方法程序。QR分析方法程序的工程算例表明，该方法未知数少、计算简单、收敛快，编程容易。第三章将QR法与Pushover分析方法相结合，提出了高层建筑结构静力弹塑性分析的Pushover-QR（PO-QR）法。该方法改进了常规Pushover方法进行抗震结构静力弹塑性分析的实施思路，用QR法代替Pushover分析方法中的有限元部分，充分利用这两种方法的优点，使得抗震结构静力弹塑性分析的计算得到较大的简化。用MATLAB语言编制了相应的PO-QR方法程序，PO-QR分析方法程序的工程算例表明，该法是一种经济、有效、可行的分析方法。第四章基于结构抗震耗能的原理、破坏机制、控制概念、抗震体系和能力设计法等结构抗震的原理，结合混合结构协同工作的特点，提出了混合结构体系能力设计法思路和混合结构构件基于性能要求的抗震设防准则。通过对抗侧力体系间能力差的控制，实现主体抗侧力结构对整体结构在地震作用下的位移模式和破坏机制控制，使得整体结构的弹塑性地震响应和耗能分布的规律便于把握和确定，解决了混合结构体系基于性态／位移抗震设计方法的关键问题。在此设计理念基础上，为满足混合结构高层住宅的抗震性能要求，结合背景工程，研究和论述了其延性设计的原理和方法。第五章在研究钢材与核心混凝土的热工性能和在高温下的力-热本构关系的基础上，阐述了建立在火灾时钢管混凝土构件温度场的数值分析方法。通过研究在ISO—834标准火灾升温情况下钢—混凝土混合结构体系框架子结构的力学性能，用有限元程序分析单根CFST柱构件和CFST柱钢框架—混凝土剪力墙结构体系受火性能的差异后，提出现行规范中基于单根柱用不变的初始荷载来确定框架构件的抗火要求是偏于保守，框架的CFST柱受火时刚度变化引起的荷载变化是构件抗火要考虑的重要因素，应考虑到受火后的荷载重分布及构件间的相互作用。钢框架采用刚性连接有利于整体抗火性能提高，而钢框架与混凝土墙体的连接可采用铰接，对抗火性能影响不大。应根据构件的重要性和耐火要求，对各种类型构件的防火材料进行优选，使结构体系整体抗火性能的协调。第六章研究了钢-混凝土混合结构体系在重力荷载作用下，钢（管混凝土）柱与混凝土墙（筒）体的竖向差异缩短问题。分析中考虑了混凝土的收缩和徐变的影响，分别采用了简化计算和整体结构模拟施工模式的有限元程序SAP2000计算。经对比，简化计算可作为概念设计的依据。背景工程的计算结果表明，由于高层钢-混凝土混合结构体系住宅建筑功能的特殊性，其100m高竖向构件差异缩短可达55mm以上。提出了可通过钢管柱内浇灌混凝土形成钢管混凝土柱、调整结构布置、墙柱之间采用适宜的连接构造措施、合理安排施工顺序和进行不同方式的现场调整等方法以减少变形差异的影响。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论、综述与动态
• 1.1 前言
• 1.2 钢-混凝土混合结构构件和体系发展史
• 1.2.1 混合结构在国内、外高层公共建筑的应用
• 1.2.2 混合结构在高层住宅建筑的应用
• 1.3 钢-混凝土组合构件和混合结构体系
• 1.3.1 钢-混凝土组合构件特征
• 1.3.2 高层钢-混凝土混合结构的构成和特征
• 1.4 高层钢-混凝土混合结构体系分析方法
• 1.5 高层钢-混凝土混合结构存在的主要问题和当前的研究动态
• 1.6 课题来源及工程背景
• 1.7 本文研究的主要内容
• 第二章 钢-混凝土混合结构弹塑性静力分析的OR法
• 2.1 概述
• 2.2 基于弹塑性应变理论的结构分析QR法
• 2.3 结构样条离散化并构造位移函数
• 2.3.1 样条函数的定义
• 2.3.2 B样条函数
• 2.3.3 样条离散化并构造位移函数
• 2.4 结构样条离散化总势能泛函
• 2.4.1 建立单元结点位移向量与整个结构样条结点位移向量的转化关系
• 2.4.2 能量泛函及变分原理
• 2.4.3 弹塑性应变理论
• 2.4.4 钢框架-剪力墙混合结构总势能泛函
• 2.5 建立结构刚度方程并形成样条变刚度法的计算格式
• 2.5.1 样条变刚度法的刚度方程计算格式
• 2.5.2 单元弹塑性刚度矩阵
• 2.5.3 结构样条变刚度法的内力计算格式及解法
• 2.6 QR法结构弹塑性分析的程序方法及算例
• 2.6.1 程序框图
• 2.6.2 算例分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 钢-混凝土混合结构弹塑性分析的PO-QR法
• 3.1 概述
• 3.2 静力弹塑性分析的Pushover法
• 3.2.1 研究和应用现状
• 3.2.2 基本假定及等效SDOF体系的转化
• 3.2.3 侧向荷载的分布模式
• 3.2.4 目标位移的确定
• 3.2.5 实施步骤
• 3.3 弹塑性分析的PO-QR法
• 3.3.1 QR法求结构动力特性
• 3.3.2 PO-QR法等效水平力分布模式
• 3.3.3 PO-QR法目标位移
• 3.3.4 PO-QR法单元分析模型
• 3.4 PO-QR法程序方法、程序框图及算例
• 3.4.1 PO-QR法程序方法
• 3.4.2 PO-QR法程序程序框图
• 3.4.3 PO-QR法工程算例
• 3.5 本章小结
• 第四章 钢-混凝土混合结构体系基于性能的研究和设计
• 4.1 概述
• 4.2 混合结构钢框架-剪力墙（筒体）协同工作
• 4.2.1 结构抗侧力体系
• 4.2.2 地震剪力在钢框架和混凝土剪力墙（筒体）之间的分配规律
• 4.2.3 与抗震设防水平协调的混合体系侧向刚度优化
• 4.3 混合结构各类构件基于性能要求的抗震设防准则
• 4.3.1 基于性能的结构抗震设计理论
• 4.3.2 相应设计荷载和作用的性能水准及性能评估
• 4.3.3 混合结构竖向构件罕遇地震组合作用下极限承载能力复核
• 4.3.4 竖向构件弹性偶遇地震组合作用下的抗震设计
• 4.4 混合结构体系基于位移的性能要求和设计
• 4.4.1 结构体系二个设计阶段抗侧力结构层间位移角控制与薄弱层判断
• 4.4.2 背景工程的二个设计阶段研究
• 4.5 混合结构延性设计
• 4.5.1 钢框架子结构体系延性设计
• 4.5.2 剪力墙子结构体系延性设计
• 4.5.3 连结节点延性设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 钢-混凝土混合结构体系的抗火研究和设计
• 5.1 概述
• 5.2 钢管混凝土构件的抗火性能
• 5.2.1 钢材与核心混凝土的热工性能和在高温下的力-热本构关系
• 5.2.2 火灾时钢管混凝土构件的温度场
• 5.2.3 火灾时钢管混凝土柱的内力取值
• 5.3 混合结构体系的抗火设计
• 5.3.1 钢管混凝土柱的耐火极限和保护层厚度计算
• 5.3.2 混合结构体系的抗火性能影响因素
• 5.3.3 防火材料的性能和抗火设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 钢-混凝土混合结构竖向构件差异缩短分析和对策
• 6.1 概述
• 6.2 钢-混凝土混合结构构件差异缩短成因
• 6.3 钢-混凝土混合结构竖向构件差异缩短的计算和分析
• 6.3.1 简化加载工况计算
• 6.3.2 考虑施工加载方式工况的非线性分析
• 6.4 钢-混凝土混合结构竖向构件差异缩短的系统优化补偿
• 6.4.1 设计方法
• 6.4.2 施工措施
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要研究成果与创新
• 7.2 问题及展望
• 7.3 有待研究的问题
• 参考文献
• 附录
• 附录一 攻读博士研究生期间承担的科研项目
• 附录二 攻读博士研究生期间发表的论文
• 附录三 攻读博士研究生期间获奖成果及鉴定成果
• 致谢